一体化电极策略实现高性能锌离子电池

科学网 2021-10-06

　　高稳定锌负极是实现高性能锌离子电池的重要保障，现今已报道了许多可行性策略用于改善锌金属负极。结构设计、界面调控、电解质优化颇具代表，上述策略虽然能一定程度上改善锌负极性能，但同时也会引起一些负面效应，如3D结构析氢、腐蚀速率的增大，界面调所引起内阻的增大等。凝胶电解质作为柔性锌离子器件的不二选择，并伴随着特定成分有着不同的功能，如自修复、耐低温等等；但因流动性差，与电极处于“点接触”的状态，难以适应循环中电极体积效应和调控功能。前期，该团队在锌离子电池负极综述（Energy Environ. Mater. 2020, 3, 146-159）中提过，锌负极的改性方向之一是如何实现多种策略的复合交融，扬长避短，得到理想的电极材料。

　　最近，得益于这样一个想法，中南大学周江教授、梁叔全教授等人在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表题为“Integrated “all-in-one” strategy to stabilize zinc anodes for high-performance zinc-ion batteries”的研究型文章，提出了一种新型电解质与金属锌（Zn）负极的一体化三维电极系统（all-in-one, AIO），集成了结构设计、界面调控、电解质优化等常规锌负极改性策略为一体。

　　与常规液体电解质中的三维(3D)负极相比，新型AIO电极在保留3D负极优点的同时，可以极大地抑制气体的析出和活性水分子引起的副反应的发生，拓展电解质的电化学稳定窗口，有效抑制气体产出和副反应。集成的AIO策略实现了足够的电极/电解质界面接触面积，构筑了全新的紧密电极/凝胶电解质离子传输通道，促进电极高速的电子/离子转移，确保氧化还原反应的快速和充分进行。同时，缓解电极体积效应和界面应力问题，从而获得更优异的锌沉积/剥离稳定性和电化学性能。实验证明，该电极具有优异的静置恢复能力(60h)，并能实现1200次长稳定循环且无明显极化发生。基于AIO系统、以NH4V4O10和α-MnO2分别为正极的全电池表现出良好的稳定性和倍率性能。

　　该项研究所提出的一体化改性策略，将为目前锌金属负极中缓慢的离子迁移和界面副反应等问题提供新的解决办法，促进锌基电池的快速发展，并为其他金属基负极研究提供可行思路。

责任编辑：sun

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