化材学院黄健航课题组在能源类顶刊EES上发表研究成果

近日，化材学院黄健航课题组在英国皇家化学会旗舰期刊Energy & Environmental Science上在线发表了题为“High Zn(002) - Preferential Orientation Enabled By Proton Additive for Dendrite-Free Zinc Anode”的研究论文。

水系锌离子电池由于其高理论容量（820 mAh g−1和 5854 mAh cm−3）、低氧化还原电位（−0.763V vs. SHE）、环境友好和资源丰富一直被认为是下一代储能系统中最有前途的替代品。然而锌金属负极严重的枝晶生长和副反应导致其短路和失效，是限制可充电水系锌电池商业应用的主要瓶颈。考虑到电极的晶面取向决定了沉积金属的生长方向，因此电极晶面的择优取向对诱导无枝晶锌沉积具有重要意义。

通过在ZnSO4电解质中加入阳离子添加剂（质子），优化电沉积条件，结果表明恒电位沉积在 Cu 基底上得到的 Zn 电极表现出最高的Zn(002)择优取向，相对织构系数（RTC）=99.71%，R（R=I(002)/I(101)）=389.1。放大的XRD图表明Zn(100)和 Zn(101)的峰几乎被消除。商业Zn和制备的Zn(002)电极的电子背散射衍射（EBSD）图和极图证明了沉积的锌具有强Zn(002)择优取向，沉积锌几乎完全平行于基底生长。

研究在质子添加剂电解质中沉积Zn的形貌演变可以得出，随着沉积的进行，质子添加剂的作用开始显现，沉积到容量为5 mAh cm-2时具有明显的六边形结构和高的Zn(002)择优取向。通过理论计算表明质子优先吸附在Zn(002)晶面，由于同电荷排斥的作用导致Zn(002)晶面生长速率缓慢，根据Bravais定律，生长速率较低的晶面会优先暴露，最终形成高Zn(002)择优取向的锌电极。

沉积得到的Zn(002)电极组装形成Zn//Zn对称电池在5 mA cm-2和和5 mAh cm-2条件下稳定循环至1900 h，而商业锌电极不到100 h就失效组装的AC//Zn(002)混合超级电容器和PTO // Zn(002)全电池具有比商业Zn电池更高的循环稳定性。本文系统地研究了质子添加剂电解质中Zn(002)结构的形态演化和形成机理，阳离子织构化策略为构建金属锌高Zn(002)择优取向的研究提供新的见解。

浙江师范大学为该论文第一单位和通讯单位，化学与材料科学学院2021级硕士李雅婷为论文第一作者，“双龙学者”特聘教授黄健航和复旦大学夏永姚教授为通讯作者。该论文工作得到国家自然科学基金的资助。

编辑：张文潇

标签：质子  取向  添加剂