可控超薄磷酸锌保护层助力锌负极稳定性

悉尼大学陈元教授和魏力博士课题组JMCA：可控超薄磷酸锌保护层助力锌负极稳定性

【文章信息】

超薄磷酸锌保护层用于稳定锌金属电极

第一作者：李婧

通讯作者：陈元, 魏力, 吕伟

单位：悉尼大学, 清华大学深圳国际研究生院

【研究背景】

二次水系锌离子电池因其安全性吸引了很多电池开发和研究人员的关注。由于锌金属负极和电解液界面之间的不稳定性，锌枝晶生长和腐蚀经常导致较差的循环稳定性。本文报道了一种磷酸锌超薄保护层的快速制备方法，从而提升了锌负极和电解液界面之间的稳定性。均匀包覆的保护层可以抑制腐蚀并均匀锌金属的沉积。超薄保护层的厚度可以通过调控多聚磷酸的浓度实现。处理后的锌金属负极的电化学性能有很大提升。在2 mA cm-2的电流条件下，磷酸锌保护的金属锌负极可以稳定循环6500 h。制备的与二氧化锰正极匹配的全电池在循环500圈后仍然有78%的容量保持率。文中描述的制备方法可以适用于大规模生产。研究的发现也为其他金属负极的保护层设计提供了有价值的参考。

【文章简介】

近日，来自悉尼大学的陈元教授和魏力博士课题组与清华大学深圳国际研究生院的吕伟副研究员合作，在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Stable Zn Electrodes Enabled by Ultra-Thin Zn Phosphate Protective Layer”的研究工作。该工作利用简单的化学处理方法，在锌金属负极表面制备厚度可控的超薄磷酸锌保护层。均匀包覆的保护层抑制了锌的腐蚀和枝晶生长，从而提升了界面稳定性和电化学循环稳定性。

图1. 超薄磷酸锌保护层的制备过程

【本文要点】

要点一：快速构建厚度可控的超薄磷酸锌保护层

利用简单的化学浸泡处理方法，制备了超薄磷酸锌保护层。保护层的厚度可以通过溶剂浓度调节。结合X射线光电子能谱和原子力显微镜的测试结果，证明了最优的磷酸锌保护层的厚度约为45±5 nm。

图2. 超薄磷酸锌保护层的表征

要点二：超薄磷酸锌保护层展现出优异的抑制腐蚀能力

金属锌负极的腐蚀是导致锌离子电池循环寿命下降的主要原因之一。本文测试了超薄磷酸锌保护层的抗腐蚀能力。在2M ZnSO4电解液中浸泡7天后，与有保护层的金属锌（PPA-Zn）相比，无保护层的锌金属负极腐蚀更加严重，且有大量副产物产生。塔菲尔腐蚀曲线同样证明了超薄磷酸锌的抑制腐蚀能力。

图3. 超薄磷酸锌的抑制腐蚀能力

要点三：超薄磷酸锌助力金属锌的均匀沉积

金属锌枝晶的生长是另一个制约锌离子电池电化学性能的重要因素。从扫描图中可以看到，在不同的电流密度和沉积条件下，金属锌都能够均匀沉积在PPA-Zn上，而金属锌在纯锌上的的沉积形貌杂乱，不利于金属锌负极的循环稳定性。原位光镜下的表征同样证明了相同的结果。

图4.金属锌在PPA-Zn和Zn上的沉积形貌

要点四：优异的电化学性能

在对称电池中，PPA-Zn电极能够在2 mA cm-2 到1 mAh cm-2的条件下稳定循环6500 h，同时在10 mA cm-2 到5 mAh cm-2的条件下仍能够稳定循环300 h。在与二氧化锰正极匹配的全电池中，PPA-Zn//MnO2全电池能够在稳定循环500圈的同时具有78%的容量保持率。与此同时，制备的软包全电池在弯折的条件下仍能够点亮电子屏幕，进一步证明了本工作在实际应用中的可行性。

图5. 对称电池的电化学性能

图6. 全电池的电化学性能

【文章链接】

Stable Zn Electrodes Enabled by Ultra-Thin Zn Phosphate Protective Layer

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c01465

【第一作者介绍】

李婧：硕士毕业于清华大学，目前在陈元教授的指导下攻读博士学位，主要研究方向为锌金属电池和锂金属电池。

【通讯作者简介】

陈元，悉尼大学化学和生物分子工程学院教授。本科、硕士毕业于清华大学，博士毕业于耶鲁大学。2005-2015年任南洋理工大学助理教授、副教授。2015年起任悉尼大学教授。2017年当选澳大利亚皇家化学会会士，2018年当选英国皇家化学会会士。目前还担任国际期刊Carbon和Journal of Alloys and Compounds编辑。主要研究方向是碳纳米材料的可控合成、组装和其在能源和环境方向的应用。

​课题组网站：https://yuanchenlab.org/

​

魏力，悉尼大学化学和生物分子工程学院讲师。分别于清华大学和南洋理工大学获得本科和博士学位。于2017年加入悉尼大学。目前也受澳大利亚研究基金会未来学者基金资助。主要研究方向是基于碳及金属氧化的电催化剂在氢气，氧气，二氧化碳相关催化转化中的应用及器件研发。

​

吕伟，清华大学深圳国际研究生院副研究员，主要从事碳基材料的界面组装制备和电化学储能应用研究，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.等刊物发表论文200余篇，他引20000余次，入选科睿唯安高被引学者（2020, 2021，2022）；主持国家自然科学基金优秀青年科学基金和科技部重点研发计划国际合作重点专项等项目。获国家技术发明二等奖、天津市自然科学一等奖、Energy Storage Materials Young Scientist Awards、The Brian Kelly Award；担任InfoMat、Chinese Chemical Letters杂志青年编委、《无机盐工业》杂志青年编委副主任委员。