中科大陈维教授NC：构建坚固&超高容量的无阳极锌电池

研究背景

随着石油等不可再生能源的过度消耗，合理开发利用太阳能、风能等可再生能源愈发重要。但各种可再生能源受地域和环境等因素限制，存在着严重的随机性和间歇性。因此，实现能源的优化管理和大规模存储显得至关重要。大规模储能装置的引入是实现未来智能电网高效运转的重要一环。水系锌电池具有低成本、长寿命、高安全的特点，是下一代大规模储能电池技术最有力的竞争者。然而锌电池面临一系列的问题，严重影响了其产业化进程：1)锌负极存在不可控的副反应如枝晶生长、析氢等，限制了电池的循环寿命；2)锌电池中过高的N/P比及较低的面容量降低了电池的能量密度；3)缺乏大容量电池的设计及其对结合可再生能源储能应用的探索。因此，采用合适的策略在较高面容量下解决Zn负极面临的问题，进而获得具有高能量密度及稳定循环的锌电池具有十分重要的意义。

近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维教授课题组在国际期刊Nature Communications发表了题为“Constructing robust interface for anode-free zinc batteries with ultrahigh capacities”的研究论文。论文中设计了一种稳定的金属/金属-锌合金异质结界面层，实现了大面容量(200 mAh/cm²)下无锌枝晶的稳定沉积和溶解反应以及高达274 Wh/kg的锌溴电池能量密度和62 Wh/kg的实际软包电池能量密度。另外，大容量锌溴电池展示出优异的循环稳定性，电池模组与光伏面板集成展示了其对可再生能源的存储能力。中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士生郑新华和博士后刘再春为该论文的共同第一作者，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心的陈维教授为该论文的通讯作者。

图文导读

图1. Zn在无负极Sb/Sb₂Zn₃-HI@Cu基体上的沉积机理。

a. Zn在Zn和Sb/Sb₂Zn₃-HI@Cu基底上电沉积过程示意图；b. Zn在Zn箔、Cu箔及Sb@Cu基体上的成核过电位；c.不同面容量的Zn在Sb@Cu上的沉积和溶解后的XRD图谱；d. 不同面容量的Zn在Sb@Cu上的沉积后的XPS图谱；e. 锌在Sb@Cu基体上沉积后的TEM形貌；f. 锌在Sb@Cu基体上沉积后的EDS能谱图。

图2. DTF计算及COMSOL模拟。

a.Zn原子在Zn及Sb表面的吸附能；b.Zn在Zn箔表面电荷密度分布图；c.Zn在Sb表面电荷密度分布图；d.Zn在Zn箔表面沉积过程中的电流密度分布；e.Zn在Sb/Sb₂Zn₃-HI@Cu表面沉积过程中的电流密度分布。

图3. Zn在Zn箔和Sb@Cu表面沉积不同面容量下的SEM形貌。

a.Zn在Zn箔表面沉积容量为1 mAh/cm²的形貌；b.Zn在Zn箔表面沉积容量为10 mAh/cm²的形貌；c.Zn在Zn箔表面沉积容量为50 mAh/cm²的形貌；d.Zn在Sb@Cu表面沉积容量为1 mAh/cm²的形貌；e.Zn在Sb@Cu表面沉积容量为10 mAh/cm²的形貌；f.Zn在Sb@Cu表面沉积容量为50 mAh/cm²的形貌；g.Zn在Sb@Cu表面沉积容量为10 mAh/cm²的截面形貌及相应的能谱图。

图4. Zn|Zn对称电池及Zn|Sb@Cu非对称半电池的电化学性能。

a.半电池在面容量为10 mAh/cm²及电流密度为20 mA/cm²条件下的循环稳定性；b.半电池在不同圈数下的电压-容量曲线；c.Zn|Sb@Cu非对称电池在10 mAh/cm²面容量下的倍率性能；d.半电池在循环50圈之后的表面形貌；e.Zn|Sb@Cu非对称电池在面容量为50 mAh/cm²及电流密度为50 mA/cm²条件下的循环稳定性。

图5. 无负极Zn-Br₂全电池的电化学性能。

a.Zn-Br₂全电池的结构示意图；b.Zn-Br₂全电池的倍率性能；c.Zn-Br₂全电池在不同电流密度下的放电曲线；d.Zn-Br₂全电池在面容量为10 mAh/cm²及电流密度为10 mA/cm²条件下的循环曲线。

图6. 锌在Sb@Cu基体上沉积大容量的性能。

a.Zn|Sb@Cu非对称电池在不同面容量下的电压-容量曲线；b.Zn在无负极基体上沉积的面容量、电流密度、累积容量总结图；c.Zn在Zn箔及Sb@Cu基体上沉积200 mAh/cm2的光学形貌；d.非对称无负极Zn-Br₂电池的电极实物图；e.非对称无负极Zn-Br₂电池的放电曲线；f.非对称无负极Zn-Br₂电池的循环性能。

图7. 大容量Zn-Br₂电池在实际储能中的应用。

图7. 大容量Zn-Br₂电池在实际储能中的应用。

a.容量为500 mAh的Zn-Br₂电池结构示意图；b.容量为500 mAh的Zn-Br₂电池实物图；c.容量为500 mAh的Zn-Br₂电池的循环性能；d.单体容量为1500 mAh的Zn-Br₂电池在不同连接形式下的放电曲线；e.能量为9 Wh(6 V，1.5 Ah)的Zn-Br₂电池模组结合太阳能充电点亮LED灯的应用展示。

研究结论

近年来，Zn电池的发展引起了人们的广泛关注。然而，Zn电池在实际应用方面遇到了很大的挑战。本文设计了一种稳定的金属/金属-锌合金异质结界面层用于稳定大容量下锌沉积/溶解。该电极实现了在200 mAh/cm²的超高面容量下无枝晶的稳定锌沉积/溶解。此外，设计的大容量Zn-Br₂电池具有优异的电化学性能及实际储能应用潜力。然而，本论文设计的无负极Zn-Br₂电池的实际能量密度(62 Wh/kg)依然有限，未来期望通过进一步的结构优化来提升电池的整体性能，为锌电池在大规模储能中的应用提供切实可行的方案。

通讯作者介绍

陈维，中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文40余篇，论文总被引9000余次，H因子45。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委，Interdisciplinary Materials杂志学术编委，Catalysts杂志编委。

陈维课题组网页：http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

课题组招聘

中国科学技术大学陈维教授课题组

诚聘联合博士后

一、研究方向

本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：

1.氢气二次电池的开发与应用

2.新型水系离子储能电池

3.电催化剂的微观调控与机理探索

二、申请条件

1.身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强

2.已获得(博士毕业三年之内)或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位

3.优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人

4.具有良好的英文听说读写能力

5.近5年发表过高水平学术论文(至少1篇)

6.年龄不超过35周岁

三、招聘人数：1人

四、岗位待遇

1.聘期2年。

2.工资待遇(总年薪税后35万元以上) 此职位为中科大与深圳大学联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组(课题组网页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1/)，入中国科学技术大学博士后流动站。

3.五险一金：社会保险(基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险)和住房公积金。

4.其他相关待遇(享受深圳大学职工基本福利)。

五、申请程序

请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师([e-mail])，邮件以“博后申请+姓名”命名。

相关论文信息

论文原文在线发表于Nature Communications，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

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

论文网址：

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

DOI:10.1038/s41467-022-35630-6

文章转载自“水系储能”公众号

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