杨全红教授课题组最新进展：巧用量子点缓解锌负极界面浓度梯度的问题

引言

很少有工作关注界面浓度梯度对Zn沉积过程的影响，尤其是在高倍率下。特别是，高界面浓度梯度不仅降低了反应动力学，而且由于Zn²⁺在“尖端”上的优先聚集而加速了枝晶的生长。

因此，合理设计电解质添加剂以减轻界面浓度梯度在抑制枝晶的生长和寄生副反应方面显示出巨大的潜力。

成果简介

近日，天津大学杨全红教授和杨春鹏教授等提出通过引入N，S掺杂的碳量子点（NSQDs）作为添加剂来减轻界面浓度梯度，以实现均匀的Zn沉积。NSQDs的悬空含氧基团将被Zn箔还原，从而与氧化的Zn²⁺相互作用，在Zn表面形成Zn-O键。所形成的NSQD层为Zn离子提供了丰富的成核位点。同时，带负电荷的NSQD层降低了离子浓度梯度，并使锌与电解质界面附近的电场分布均匀化，促进了无枝晶Zn沉积。随着界面浓度梯度的降低，锌金属阳极表现出良好的倍率性能(近6000次循环为20mA cm^-2)。此外，组装的软包全电池表现出优异的循环稳定性，并且在250次循环后达到81%的容量保持率。这项工作不仅提供了一个简单的方法来调节界面浓度梯度，以均匀锌沉积。该研究以题目为“Mitigating the Interfacial Concentration Gradient by Negatively Charged Quantum Dots toward Dendrite-Free Zn Anodes”的论文发表在材料领域国际顶级期刊《Energy Storage Materials》。

正文导读

【图1】(a)纳米量子点的透射电镜图像。(b)纳米量子点的红外光谱。(c) N 1s、(d) S 2p和(e) C1s的去卷积高分辨率XPS光谱。(f) NSQDs数据模型。

【图2】(a)加入ZnSO₄前后中性溶液中NSQDs的Zeta电势。(b)用NSQD分散体浸泡的Zn箔的SEM和相应的绘图。5mA cm^-2下锌电极上锌沉积的沉积图和SEM图像。(c) 0.5，(d) 1和(e)2 mAh cm^-2，用于含NSQDs的电解质；(f) 0.5，(g) 1和(h)2 mAh cm^-2用于正常电解液。(I)正常电解质，(j)含NSQDs的电解质(Zeta电势增加的NSQDs)中电势分布的数值模拟。(k)正常电解质和(l)含量子点电解质中的离子浓度分布。

【图3】(a)在有/没有NSQD添加剂的10个循环之前/之后，Zn对称电池的EIS光谱。(b)锌离子在5mA cm^-2下的成核过电位试验。(c)在0.5mV s^-1下镀锌/剥锌的CV曲线。(d)有/没有NSQD添加剂的锌阳极的LSV曲线。(e)显示有/没有NSQD添加剂的锌箔的腐蚀速率的线性极化曲线。(f)浸泡在含有/不含NSQDs的2M ZnSO₄中的Zn阳极的XRD。

【图4】有/没有NSQD添加剂的电池性能。(a)在电流密度为0.2至20mA cm^-2时，锌对称电池在锌剥离/电镀过程中的倍率性能。(b)锌对称电池在2 mA cm^-2下的循环性能，电镀/剥离容量为0.5 mAh cm^-2。(c)锌对称电池在20 mA cm^-2 (1 mAh cm^-2)下的循环性能。无NSQD添加剂(d)和有NSQD添加剂(e)的10次循环后的SEM图像。(f)有/没有NSQD添加剂的锌/铜电池的CE曲线。

【图5】NSQDs的完整电池性能。(a)在各种充电/放电电流密度下具有NSQDs的Zn//ZVO的电压曲线。(b)具有/不具有NSQDs的Zn//ZVO的倍率性能的比较。(c)在4A g^-1的循环试验中，Zn//ZVO电池的容量保持率和CE曲线。(d)具有4.4mg cm^-2的ZVO负载的NSQDs的全电池的循环稳定性。(e)具有NSQDs的软包电池的循环稳定性。

总结与展望

综上所述，这项工作提出通过在电解液中引入NSQD添加剂来均匀化Zn成核和沉积，这减轻了用于均匀Zn沉积的界面Zn²⁺浓度梯度。具有丰富的含氧官能团，NSQD与Zn箔反应，产生有效的NSQD层。该形成的NSQD层为Zn离子提供了丰富的成核位置。同时，Zn表面附近带负电荷的碳点使电场均匀化，降低了Zn-电解质界面上的Zn²⁺浓度梯度。随着界面浓度梯度的降低，含有NSQD添加剂的对称电池在近6000次循环中表现出20mA cm^-2的良好倍率性能。组装的全电池在循环1500次循环后显示85.9%的高容量保持率。这项工作证明了一个简单的方法来稳定锌阳极，更重要的是，可以提供一个界面浓度梯度调节抑制枝晶形成的新的理解。

参考文献

Quan-Hong Yang and Chunpeng Yang, (2023), Mitigating the Interfacial Concentration Gradient by Negatively Charged Quantum Dots toward Dendrite-Free Zn Anodes. Energy Storage Materials.

DOI: 10.1016/j.ensm.2023.03.032

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.03.032