湖南大学朱智强教授团队《Energy Storage Mater.》：植物提取物原位构筑亲锌位点实现无枝晶锌负极

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近期，湖南大学朱智强教授团队在水系锌离子电池电解液添加剂抑制锌枝晶生长方面取得新进展，利用富含亲锌性成分的荨麻提取物（NE）在锌负极表面原位构筑亲锌位点实现均匀锌沉积，丰富了制备无枝晶锌负极的设计理念。相关成果以 “Engineering zincophilic sites on Zn surface via plant extract additives for dendrite-free Zn anode ” 为题，发表于Energy Storage Materials (10.1016/j.ensm.2021.10.033)。

图1 锌离子沉积过程。(a) 锌离子沉积示意图；(b,c) 锌离子在不同电解液中的沉积过程显微镜图；(d,e) 锌负极在不同电解液中循环后的扫描电镜图。

得益于NE中亲锌成分的吸附过程，锌离子在负极表面的成核及沉积过程得到了明显的改善。相较于未修饰的电解液，添加NE后，锌负极表面在沉积过程初期产生了更多的成核位点，使沉积锌层在循环过程后更为平整。

图2  半电池测试。(a) 在 5 mAcm^-2，5 mAh cm^-2下，Zn-Zn电池循环寿命对比测试图；（b）在 1 mA cm^-2，1 mAh cm^-2下，Zn-Zn电池循环寿命对比测试图；（c）Zn-Cu电池库伦效率对比图及（d,e）对应的充放电曲线图。

在电解液中加入适量的NE后，Zn-Zn电池循环寿命得到了极大的提升。在1 mA cm^-2，1 mAh cm^-2下，其循环寿命延长至3000 小时。即使在5 mA cm^-2, 5 mAh cm^-2下，其循环寿命仍能达到2200 小时。除此之外，Zn-Cu电池的库伦效率也得到了有效的提高。

图3锌负极在不同电解液中循环后的表界面结构分析。(a) 拉曼光谱图；(b,c) 共聚焦荧光反射图；(d) N_1s精细XPS谱；(e) 红外光谱图；(f) 电极界面双电层。

 图4 以5-羟色胺（荨麻提取物中的一种亲锌组分）为研究对象的理论计算结果。(a) 界面吸附能；(b,c) 差分电荷密度；(d) HOMO-LUMO；(e) 结合能；(f) 静电势相互渗透距离。

通过物理表征、电化学测试及理论计算进一步证明了NE中以5-羟色胺为代表的亲锌性组分在电极表面的吸附。这种特性吸附使得锌负极表面原位形成了更多的亲锌位置，有效地分散了成核位点，实现了均匀锌沉积。此外，亲锌物质的吸附还能减少电极/电解液界面中水的含量，有效抑制了析氢及腐蚀反应的发生。

图5  Zn-PANI/CF全电池性能测试。扣式电池的 (a) 循环性能与 (b) 倍率性能对比测试图；软包电池的 (c) 结构示意图及 (d) 充放电曲线。

最后利用NE修饰后的电解液组装Zn-PANI/CF全电池进行测试。如图5所示，NE的引入也可以提升全电池的循环性能和倍率性能，进一步证明了该添加剂的实用性。这些结果成功表明通过电解液添加剂原位构筑亲锌位点能够有效延长锌负极的使用寿命，为设计水系锌离子电池电解液添加剂提供了一种新思路。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829721004967

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