化材学院黄健航课题组在Joule发表研究成果

近日，化材学院黄健航双龙特聘教授联合复旦大学夏永姚教授在Joule杂志上在线发表研究论文Highly reversible tin redox chemistry for stable anode-free acidic proton battery。浙江师范大学为第一通讯单位，化材学院双龙特聘教授黄健航、复旦大学夏永姚教授为共同通讯作者。化材学院2021级硕士研究生余祖豪和2022级硕士研究生王琼为共同一作。Joule作为Cell姊妹刊，主要关注能源研究领域，影响因子为39.8。

锡金属阳极因高析氢过电位、耐腐蚀、环境友好等优点，是具有竞争力的电池负极材料。然而，锡金属沉积过程中趋向于生长为大尺寸、尖锐、岩石状颗粒且分布不均匀，导致锡从基底表面脱落造成可逆性降低，且其不规则形貌增加了电池短路风险。因此，找出以上问题的根源，有效促进其沉积形貌和循环稳定性是非常必要的。该工作首先筛选了不同沉积基底的电化学性能，结果表明铜基底结合力好，耐腐蚀，作为锡沉积基底较为合适。进一步对比研究了金属锡和金属锌的电化学沉积/溶解行为，发现锡金属过大的交换电流密度是其沉积问题的根源。交换电流密度过大意味着沉积过程中体系不平衡程度小，锡的沉积趋向于生长而非成核。因此，降低交换电流密度是一种行之有效的方法以优化沉积形貌，提升电池稳定性和可逆性的有效手段。

作为概念验证，首先采用明胶作为添加剂，其能够有效吸附在电极表面以减小锡金属的交换电流密度，优化沉积形貌和性能。贫液Cu/Sn不对称电池在1 mA cm-2电流密度和1 mAh cm-2 容量条件下库伦效率可达99.5%。另一方面，开发了甲磺酸基电解液，采用溶解度更高的锡盐和还原性酸有效抑制二价锡的水解和氧化。更为重要的是甲基磺酸电解液的配位环境增加了锡离子还原过程中的去溶剂化能，从而降低其交换电流密度，促进了锡金属沉积的成核过程，优化了沉积形貌。贫液电池在10 mA cm-2电流密度和1 mAh cm-2沉积容量下具有99.95%的库伦效率，且能够稳定循环>1600圈。为了进一步满足实际应用需求，体现锡金属的高可逆性，采用铜箔作为负极集流体，四氯苯醌(TCBQ)作为正极组装了贫液无阳极锡电池，平均放电电压0.9 V，能够稳定循环4000圈。扩大化电池在23 mAh容量下能够稳定循环>1000圈。该工作在锡负极实用化道路上迈出了坚实的一步。

黄健航，2021年加入浙江师范大学任双龙特聘教授。主要从事新型化学电源电极材料及反应机理研究，包括有机、无机电极材料储能机理，高安全低成本水系金属离子电池，液流电池及电极反应化学在其他能源领域中的应用。自从加入浙江师范大学，以浙江师范大学为通讯单位在Joule, Sci. Adv., Sci. Bull., Angew. Chem., Energ. Environ. Sci.等SCI期刊上发表多篇文章。入选“浙江省高校领军人才培养计划”，教育部能源材料化学协同创新中心iChEM Fellow，斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”。主持国家自然科学基金委面上项目、青年项目、金华市工业类重点项目各1项。

编辑：盛灿灿

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