哈工大张乃庆EnSM：多功能ZnMoO4保护层稳定锌负极

【研究背景】

水系锌离子电池（ZIBs）由于其高安全性、低成本和环境友好性成为未来最有潜力的储能系统之一。然而，锌不均匀沉积和严重的析氢副反应限制了水系锌离子电池的发展和商业化进程。在锌负极表面引入人工涂层已成为引导锌均匀沉积的有效手段。然而这些涂层对于析氢副反应没有很好的抑制作用，发展一种兼具抑制锌枝晶与析氢副反应的保护涂层具有重要的意义。

【工作介绍】

近日，哈尔滨工业大学的张乃庆教授团队通过化学沉积法在锌表面生成ZnMoO₄保护层。作者发现，由于ZnMoO₄涂层具有很好的亲锌性，能有效引导锌的均匀沉积。此外，ZnMoO₄兼具高的氢吸附的吉布斯自由能ΔG（*H），有效抑制析氢副反应的发生。该多功能涂层的设计策略为高性能锌负极的研究开发提供了新思路。相关工作以“Fast-growing Multifunctional ZnMoO₄ Protection Layer Enable Dendrite-free and Hydrogen-suppressed Zn Anode”为标题发表在Energy Storage Mater期刊上。

【文章图表】

图1 保护层的制备原理及作用机理示意图，相关的材料表征。

Figure 1. Schematic images of the Zn@ZnMoO₄ anode preparation (a) and deposition process (b); (c), (d) SEM images and (e) XRD patterns; (f) Mo 3d and (g) O 1s XPS spectra.

图2 ZnMoO₄与锌的结合能和氢吸附的吉布斯自由能ΔG（*H）计算以及锌沉积过程。

Figure 2. (a) The calculated binding energy of Zn adatoms on ZnMoO₄; hydrogen barrier of (b) Zn (001) and (c) ZnMoO₄. (blue-green, yellow, red and purple ball are Zn, Mo, O and H respectively). (d-f) Initial nucleation process of Zn@ZnMoO₄ with 0.0025,0.005 and 0.01mAh cm^-2 under 0.01mA cm^-2.

图3 有无保护涂层对于锌沉积和抑制析氢副反应的作用效果。

Figure 3. Zinc deposition morphology: (a-c) bare Zn and (d-f) modified Zn at the current density 0.25mA cm^-2, (a, d)0.05mAh cm^-2 and (b, c, e, f) 0.25mAh cm^-2. In situ optical microscopy of (g) bare Zn and (h) modified Zn at a current density about 50mA cm^-2.

图4 保护涂层抑制析氢副反应的测试表征

Figure 4. (a) Nyquist plots of Zn@ZnMoO₄ symmetrical cell at different cycle number with 1 mA cm⁻² and 1mAh cm⁻². (b) Rate performance. (c) Linear polarization curves. (d) XRD patterns after cycle.

图5 对称电池及Zn||α-MnO₂全电池电化学性能测试。

Figure 5. Long-term galvanostatic cycling performances of symmetrical cells: (a) button cells at 10 mA cm^-2 with 1mAh cm^-2; (b) flexible cells at 0.25mA cm^-2 with 0.125mAh cm^-2 and configuration schematic (c). Electrochemical performances of Zn||α-MnO₂ cells: (d) rate performance and (e) charge/discharge curves at 1.0 A g^-1.

A. Chen, C. Zhao, Z. Guo, et al. Fast-growing Multifunctional ZnMoO₄ Protection Layer Enable Dendrite-free and Hydrogen-suppressed Zn Anode, Energy Storage Materials 44 (2022) 353-359, DOI:10.1016/j.ensm.2021.10.016