​湖南大学陈小华Adv. Mater. ：调控双电层结构稳定锌属负极

【研究背景】

大规模储能系统作为能源转换与储存的关键，在新能源开发与利用过程中扮演着十分重要的角色。虽然目前大规模储能系统仍然以锂离子电池为主，但是锂资源短缺问题会随着储能市场的进一步扩张愈发严重。同时，锂离子电池有机系电解液易燃易爆等特性也与大规模储能系统的高安全性要求背道而驰。锌离子电池(ZIBs)是能够解决上述问题的一种新兴储能技术, 由于金属锌(Zn)比容量高、资源丰富、安全性好, 表现出巨大的应用前景。然而，锌金属负极在循环过程中容易发生副反应以及形成枝晶，导致锌离子电池的循环寿命急剧降低，限制了其商业化推广使用。因此，解决锌金属负极稳定性差的问题成为了推动锌离子电池发展的迫切需要。

【工作介绍】

近日，湖南大学材料科学与工程学院陈小华教授课题组等人提出通过调控双电层结构稳定锌金属负极的技术思想，从理论和实验上揭示了锌负极初始形成的双电层结构对锌负极界面SEI膜组分结构形成的影响。引入糖精添加剂实现了糖精衍生阴离子在初始双电层结构中的特性吸附，降低了双电层结构中水分子的比例，抑制锌负极与电解液之间的副反应。同时，在锌沉积过程中，糖精衍生阴离子会发生分解形成有机-无机混合固态电解质相，进而调控锌离子的扩散，抑制锌枝晶的形成。基于设计的电解液体系(糖精+硫酸锌+水), 实现了锌对称电池分别在10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2测试条件下，具有550小时超长的循环寿命，相当于2.75 Ah cm⁻²的超高累积电镀容量，大约是使用纯ZnSO₄电解液电池的14倍。即使在40 mA cm⁻²的高电流密度下测试，它仍然可以循环110小时以上。更重要的是，基于SAC/ZnSO₄电解液中测试的Zn|Cu半电池库仑效率高达99.6%，表明镀Zn/剥离过程具有良好的可逆性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials 上，博士研究生黄聪为本文第一作者，陈小华教授为本文通讯作者，共同通讯作者刘智骁副教授为本文提供理论计算指导。硕士研究生赵欣，刘爽，郝逸苏，唐群力副教授，胡爱平教授也参与了此工作。

【内容表述】

1. 糖精添加剂作用机理

（1）糖精衍生阴离子在锌负极表面发生特性吸附，阻止部分水分子与锌界面直接接触，形成贫水双电层结构；

（2）贫水双电层结构能够抑制副反应的发生；同时特性吸附的糖精衍生阴离子在循环过程中发生分解形成有机无机复合SEI膜，抑制锌枝晶的生长

图1. 糖精添加剂作用机制示意图

2. 电化学性能

（1） 基于Sac/ZnSO4电解液的Zn|Zn对称电池在电流密度为10 mA cm⁻²时具有550 h的超长循环寿命，相当于2.75 Ah cm⁻²的超高累积电镀容量，大约是使用纯ZnSO4电解液电池的14倍。即使在40 mA cm⁻²的高电流密度下测试，循环寿命仍可达到110 h以上。

（2） Zn|Cu半电池在10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2测试条件下累计沉积容量达到500 mAh cm^-2，平均库伦效率高达99.6%，表明镀Zn/剥离过程具有优异的可逆性。

（3） 基于Sac/ZnSO4电解液的锌-二氧化锰全电池具有超高的循环稳定性，是使用纯ZnSO₄电解液电池的6倍。

图2. 电化学性能图

Huang, C., Zhao, X., Liu, S., Hao, Y.-S., Tang, Q.-L., Hu, A.-P., Liu, Z.-X., Chen, X.-H., Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions. Adv. Mater. 2021, 2100445. https://doi.org/10.1002/adma.202100445

作者简介：

陈小华教授简介：湖南大学材料科学与工程学院教授，材料科学系主任，湖南省新世纪121人才工程计划人选。担任中国仪表材料学会理事、中国非金属材料协会委员。近年来在碳纳米管、石墨烯和金属有机框架等纳米能源材料的设计理论、关键合成、基础应用等方面做出了卓越贡献。于2003年获教育部自然科学奖二等奖，现已在Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Small, J. Mater. Chem. A等国际知名期刊上发表论文100余篇，被引2500余次，获授权发明专利5项，其中重要研究成果已实现成果转化。