江南大学付少海教授与北卡州立大学张向武教授《Adv. Sci.》: 嵌氮界面改性实现高性能锌离子电池负极

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随着人类社会的不断发展，能源需求的增长也加速了先进储能装置的发展。虽然锂离子电池(LIBs)目前仍是主要的储能系统，但在未来，各种各样的电池和其他电化学产品将以更高效、绿色、可持续的趋势发展。在这方面，一些价格低廉的水系金属离子电池，如锌离子电池(ZIBs)，更适合于电网规模的储能应用。水性ZIBs储能技术是一种成本低、容量大、安全性高的新兴储能技术。与使用易燃、有毒有机电解质的LIBs相比，水性ZIBs在需要与人体密切接触的高安全性可穿戴设备方面具有巨大的商业潜力。

近日，江南大学付少海教授课题组与北卡州立大学张向武教授《Advanced Science》期刊上发表了题为“Advanced Zinc Anode with Nitrogen-Doping Interface Induced by Plasma Surface Treatment”。为抑制锌负极表面的枝晶及副反应问题，该团队利用高能离子体处理方法在锌金属表面实现了深度氮掺杂。等离子体诱导的氮掺杂锌电极凭借氮原子与锌离子间的强结合力，可以形成均匀的活性位点，从而诱导均匀的电沉积过程。氮掺杂电极上锌离子迁移的扩散能垒和电荷转移电阻也可以得到有效降低。由于增强的表面特性，嵌氮电极的对称电池在1 mAh·cm^-2下实现了3000 h的超稳定寿命。

图1. (a)纯锌和(b)嵌氮锌电极的场发射扫描电镜图片;纯锌和嵌氮锌电极的(c) XRD和(d) XPS图谱;(e)嵌氮锌箔的高分辨率XPS N1s光谱;(f)嵌氮锌箔箔的EDS图谱;(g) 2M ZnSO₄电解质在纯锌和嵌氮锌箔上静置20分钟后的接触角。

图 2. (a)纯锌和嵌氮锌电极在2 mA·cm^-2电流下的成核过电位，(b)室温下不同扫描速率拟合曲线对应的交换电流密度。(c)纯锌和嵌氮锌电极对称电池在初始状态和静放12 h后的Nyquist图。(d)纯锌和嵌氮锌电极对称电池在1 mA·cm^-2电流密度下的长期循环性能。(e)嵌氮锌电极与其他文献报道的表面修饰负极的电压滞后和寿命比较。在电流密度为(f) 2 mA·cm^-2和(g) 5 mA·cm^-2时，纯锌和嵌氮锌电极对称电池的循环结果。

图3。(a)原位光学显微镜观察纯锌和嵌氮锌表面镀锌过程。(b)50次循环后的纯锌电极和(c)嵌氮锌电极的SEM图像。对称电池中循环(d, f)纯锌和(e, g)嵌氮锌电极的光学和三维深度分布图像。

图4.(a)纯锌电极和嵌氮锌电极电池镀锌/剥离的库伦效率。在1 mA cm⁻²时(b) 纯锌电极和(c)嵌氮锌电极电池的典型GCD谱。(d)锌离子在纯锌电极和嵌氮锌电极电极上的结合能。(e) 纯锌电极和嵌氮锌电极表面锌离子迁移能垒。

图5.(a)纯锌和(b)嵌氮锌对称电池在不同温度下的奈奎斯特图。(c)纯锌电极和嵌氮锌电极对应的Arrhenius曲线及活化能比较。(d)纯锌电极和嵌氮锌电极不同锌成核和镀层行为的机理。

江南大学纺织科学与工程学院贾浩研究员为该论文的第一作者，通讯作者为付少海教授和张向武教授。

原文链接

http://doi.org/10.1002/advs.202103952

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