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物理学院教师王立群博士及其合作者在Advanced Materials发表封面文章提出一种解决金属负极枝晶问题的新策略
 

物理学院教师王立群博士合作在Advanced Materials发表题为“An Ultrahigh Rate and Stable Zinc Anode by Facet-Matching-Induced Dendrite Regulation”的研究文章,提出一种解决金属负极材料(Zn/Mg/Al)枝晶问题的新的可行策略。

水系锌离子电池(ZIBs)由于其安全性和资源丰富性等优势,在电网级储能方面具有一定的发展潜力。然而,锌负极长期以来都存在电镀剥离不均匀所导致的不可控的枝晶生长/放大问题,通常会导致低库仑效率、充放电可逆性差,并最终造成ZIB的短路。因此,许多研究致力于抑制枝晶生长,从而以提升锌负极的稳定性。可是,锌负极表面不可能实现完全均匀,例如其表面仍存在纳米尺度起伏,暴露不同晶面等。由于负极表面本征的不均匀性,锌枝晶是无法完全消除的。尤其是在大电流密度下,表面不均匀导致的枝晶生长十分剧烈,抑制枝晶的效果也会受限。

受中国上古神话——“大禹治水”中“堵不如疏”思想的启发,抑制枝晶的自我放大效应,合理地调节它们的生长,而不是完全阻碍它们的形成,可能是提高金属阳极稳定性的一种更为有利的动力学途径。具体而言,如果电极表面存在大量微小的、大小相似的、均匀分布的枝晶,其充放电时周围电场不会明显变化。同时,大量枝晶的生长相互竞争,可以有效避免单个枝晶的异常长大。因此,金属的重复电镀/剥离只会导致树枝状物的均匀长大和缩小,而非形成有害的大枝晶。

有鉴于此,我校万博体育app官网平台教师王立群博士联合天津大学侯峰教授/梁骥教授开发了一种基于晶面匹配的枝晶调节策略,即利用Zn(002)/Cu(111)晶面匹配诱导并调控锌枝晶产生和生长,实现了超高充放电速率下可逆的锌电镀/剥离。与传统的Zn枝晶抑制策略相比,在铜纳米线(CuNWs)基底的规则暴露的Cu(111)面上外延沉积形成了大量均匀而微小的Zn枝晶。微小的、大小相似的、均匀分布的Zn枝晶形貌有效抑制了其“自我放大”的生长效应,消除了不规则枝晶的异常长大,如图1所示。受益于该独特枝晶状形貌,对称电池在100.0 mAcm-2的条件下,实现了长达30000圈的高度稳定和快速的电镀/剥离循环,从而获得了30 Ahcm-2的高累积面积容量。此外,外延沉积诱导并调控枝晶生长的策略有希望应用到到其他金属的沉积,如镁和铝负极,具有广泛的应用潜力。

图1 机理演示

该工作近期被Advanced Materials接收发表(2022, 34(37) https://doi.org/10.1002/adma.202203835),并被选为当期封面文章,向读者重点推介,如图2所示。该工作由我校物理学院教师王立群博士和天津大学梁骥教授、侯峰教授合作完成,天津师范大学为第二通讯单位。

图2 受邀制作的封面图片

该工作得到国家自然科学基金面上项目(22179093、21905202)的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202203835

 

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