NC 中科大陈维教授:构建超高容量无阳极锌电池的坚固异质结构界面

文章摘要

无锌阳极抑制锌枝晶形成和调节高容量锌电池的研究备受推崇，但也极具挑战性。在此，中国科学技术大学陈维教授团队设计了一个稳健的二维锑/锑锌合金异质结构界面来调节锌的电镀。得益于Sb/Sb2Zn3异质结构界面在Zn电镀过程中具有较强的吸附和均匀的电场分布，Zn阳极具有200 mAh cm-2的超高面积容量，过电位为112 mV，库仑效率为98.5%。使用Sb/Sb2Zn3异质结构界面@Cu阳极的无阳极Zn-Br2电池显示出具有吸引力的能量密度为274 Wh kg-1，软包电池能量密度为62 Wh kg-1。放大Zn-Br2电池在500 mAh的容量下表现出超过400个稳定循环。此外，能量为9 Wh (6 V, 1.5 Ah)的Zn-Br2电池模块与光伏板集成，以展示实用的可再生能源存储能力。本文卓越的无阳极锌电池通过异质结构界面实现，为大规模储能应用开辟了舞台。

图文速递

图1：无阳极锌电沉积机理研究

a Zn和Sb/Sb2Zn3-HI@Cu基底上Zn电沉积示意图(HI为异质结构界面)。b Zn电沉积在Zn、Cu和Sb@Cu基底上的成核势垒，在2 M ZnBr2中电荷电流密度为3 mA cm-2。c 不同容量下Zn在Sb@Cu上电沉积和溶出的XRD图谱。d 不同容量的Sb@Cu基体上镀锌Zn 2p的XPS谱。e Sb2Zn3-HI@Cu阳极的HRTEM图像。f Sb2Zn3-HI@Cu阳极中Zn和Sb的EDS映射。HRTEM和EDS测量样品是通过在Sb@Cu衬底上镀0.2 mAh Zn制备的。图1b所示的恒流电沉积是在室温(25℃)下进行的。

图2：DFT计算和COMSOL模拟

a Zn原子在Zn(100)和Sb(104)晶面上的吸附能。b Zn(100)和c Sb(104)电荷密度差的理论计算模型。d 模拟Zn基板上镀锌的电流密度分布。e 模拟Sb/Sb2Zn3-HI@Cu基板上镀锌的电流密度分布。模拟过程在室温(25℃)下进行。

图3：不同容量Zn和Sb@Cu基底上Zn电沉积的微观结构

Zn电沉积在Zn基板上，面积容量为a 1 mAh cm-2,b 10 mAh cm-2,c 50 mAh cm-2。Zn电沉积在Sb@Cu基板上，面积容量为d 1 mAh cm-2,e 10 mAh cm-2,f 50 mAh cm-2。g 容量为10 mAh cm-2时的Sb@Cu上Zn电沉积的截面SEM图像和相应的EDS映射图。

图4：Zn|Zn和Zn|Sb@Cu半电池的电化学性能

a 在面积容量为10 mAh cm-2和电流密度为20 mA cm-2的条件下测试的半电池的循环性能，其中不对称Zn|Sb@Cu电池被设置为0.5 V vs. Zn2+/Zn的截止电压。b 不同周期电压与容量曲线。c Zn|Sb@Cu半电池在面容量为10 mAh cm-2，电流密度为10至200 mA cm-2时的速率容量，其中截止电压设置为1-16 C时0.5 V vs. Zn2+/Zn, 20 C时0.8 V vs. Zn2+/Zn。d 在面积容量为10 mAh cm-2，电流密度为20 mA cm-2的半电池中循环50次后Zn和Sb@Cu基板的SEM图像。e Zn|Sb@Cu半电池的循环性能，其面容量为50 mAh cm-2，电流密度为50 mA cm-2，截止电压为0.5 V vs. Zn2+/Zn。电化学测量在室温(25℃)下进行。

图5：面积容量为10 mAh cm-2时无阳极Zn-Br2电池的电化学性能

a 无阳极Zn-Br2电池示意图。b 电流密度范围为10 ~ 100 mA cm-2时的速率容量。c 电流密度为10 ~ 80 mA cm-2时的放电曲线。d 在10 mAh cm-2和10 mA cm-2下的长期循环性能。在室温(25℃)、电池放电截止电压为0.5 V的条件下，对Zn-Br2电池进行了电化学测量。

图6：Zn在Sb@Cu基板上超高容量电沉积的电化学性能

a 恒流密度为20 mA cm-2，截止电压为0.5 V vs. Zn2+/Zn时Zn|Sb@Cu半电池在不同容量下的充放电曲线。b 关于镀锌/剥锌用无锌电极的面积容量、电流密度和累积容量的总结。c 面积容量为200 mAh cm-2的Zn和Sb@Cu基板上镀锌的照片。d 不对称无阳极Zn-Br2电池阴极和阳极的照片，其中电池有一个碳毡阴极为20 cm2, Sb@Cu阳极为1 cm2(CF代表碳毡)。e 放电曲线。f 循环性能。非对称无阳极Zn-Br2电池充电1.9 V ~ 200 mAh，放电20 mA~ 0.5 V。在室温(25℃)下对半电池和Zn-Br2电池进行电化学测量。

图7：放大Zn-Br2电池的实际储能应用

a 放大Zn-Br2电池结构示意图。b 组装电池的照片。c 容量为500 mAh的放大电池的循环性能。电池首先以250 mA到1.95 V充电，然后以1.95 V到500 mAh充电，最后以250 mA到0.5 V放电。d 不同连接方式电池的放电曲线。单个电池首先以300 mA到2 V充电，然后以2 V到1500 mAh充电，最后以200 mA放电到指定电压。e 太阳能电池储能系统昼夜运行。演示的太阳能储能系统以Zn-Br2电池模组为储能装置(4节Zn-Br2电池串接，电压为~ 6v，容量为1500 mAh)，光伏电池面板为电源(额定功率为9W)， LED显示屏(额定功率为10W)为电负载。在室温(25℃)下对放大Zn-Br2电池进行了电化学测量。

研究结论

本文开发了一种金属/金属合金异质结构界面来调节Zn成核和稳定Zn生长，从而实现了200 mAh cm-2超高容量的无枝晶镀锌/剥锌。得益于无锌阳极设计，Zn-Br2全电池实现了约274 Wh kg-1的有竞争力的能量密度和62 Wh kg-1的实用软包电池的能量密度，这反映了其作为储能设备的潜力。此外，它可以循环800次以上而没有容量衰减，500 mAh容量的放大电池也表现出超过400次的稳定循环。该电池模块的能量为9 Wh (6 V, 1.5 Ah)，使用放大的1.5 Ah Zn-Br2电池成功组装，该电池模块可以与可再生能源集成，放电电压为~6 V，为LED显示屏供电。作者相信，由金属/金属合金异质结构界面设计的无阳极电池将为其未来的储能应用带来一场革命。

文献链接

Constructing robust heterostructured interface for anode-free zinc batteries with ultrahigh capacities

Xinhua Zheng，Zaichun Liu，Jifei Sun，Ruihao Luo，Kui Xu，Mingyu Si，Ju Kang，Yuan Yuan，Shuang Liu，Touqeer Ahmad，Taoli Jiang，Na Chen，Mingming Wang，Yan Xu，Mingyan Chuai，Zhengxin Zhu，Qia Peng，Yahan Meng，Kai Zhang，Weiping Wang，Wei Chen*

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35630-6

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