姚亚刚/张其冲 AM: 原位自重构诱导多功能三梯度人工界面层, 实现长寿命锌金属阳极

水系锌离子电池具有内在安全性和低成本的特点，是大规模储能的理想选择，但由于枝晶生长不可控和析氢反应（HER）导致锌金属阳极不稳定，从而缩短了其循环寿命。本文开发了一种可行的原位自重构策略，以生成三梯度聚（二烯丙基二甲基铵）双（三氟甲烷磺酰）亚胺（PDDA-TFSI）-Zn5(OH)8Cl2·H2O--Sn（PT-ZHC-Sn）人工层。由此形成的三梯度界面由具有阳离子约束和H2O抑制作用的球形顶层PT、具有Zn2+传导和电子屏蔽作用的致密中间层ZHC纳米片以及底层亲锌锡金属组成。精心设计的三梯度人工界面层可协同促进Zn2+的快速扩散，从而调节Zn的均匀沉积，并在抑制HER的同时加速脱溶过程。因此，PT-ZHC-Sn@Zn对称电池在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2 的条件下实现了超过6500 小时的超长寿命。此外，与裸锌阳极相比，与MnO2阴极耦合的全电池在1000 次循环后的容量保持率提高了17.2%。原位自重构策略还被应用于制备三梯度PT-ZHC-In，组装后的锌/铜电池可稳定运行超过8400 小时，库仑效率保持在99.6%。这项工作为设计稳定的锌金属阳极的多组分梯度界面铺平了道路。

图文简介

a ) Zn片上原位自重构三梯度层PT-ZHC-Sn的结构示意图。b ) Zn2+在PT-ZHC-Sn层上沉积行为的分层级联调制机制。c ) PT-ZHC-Sn@Zn的横截面SEM。d ) PT-ZHC-Sn@Zn中F+，N+，S+，ZnCl +，SnCl +和Zn +的ToF-SIMS深度分布。e )相应的TOF-SIMS 3D光谱。f ) PT-ZHC-Sn@Zn的FTIR光谱和g ) PT-ZHC-Sn@Zn的XRD图谱。h ) PT-ZHC-Sn@Zn和剥离PT-ZHC层后Sn 3d的XPS曲线。

a ) Zn、Sn、ZHC、PT的Zeta电位。b ) ZnSO4电解质和PT-ZHC-Sn@Zn在ZnSO4中浸泡后的v-SO42-和c ) v-O-H的拉曼光谱。d ) FTIR光谱显示PT-ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn在ZnSO4中浸泡后的N─C和S─N伸缩振动。e ) Zn，Sn，ZHC和PT的电子电导率。f )对称电池的Nyquist图。g ) Zn2+与Zn，Sn，ZHC和PT之间结合能的DFT计算。h ) SO42-离子的百分比和i )通过分子动力学模拟获得ZnSO4，PT和ZHC的3D快照。Zn2+离子的溶剂化结构j ) ZnSO4，k ) PT，和l ) ZHC。m ) Zn SO4，n ) PT，o ) ZHC中Zn2 +的配位数，RDFs，g ( r )。

a )裸Zn，ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的Tafel曲线。b )裸Zn，ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的CV曲线和Zn//Zn对称电池的CA曲线。d )裸Zn，ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的Arrhenius曲线和相应的活化能。e )吉布斯自由能ΔGH*和氢原子在Zn，Sn，ZHC和PT衬底上的吸附构型。f )裸Zn和PT-ZHC-Sn@Zn对称电池中氢沉淀通量的原位监测。g )裸Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的EDLC。DFT计算i ) Zn2+在PT-ZHC层中的扩散路径和h )相应的迁移能垒。模拟了500 s内Zn2+在PT- ZHC-Sn@Zn和k )裸Zn表面的浓度分布。1 )模拟了500 s后PT-ZHC-Sn@Zn表面的电场。

a )裸Zn，Sn@Zn，ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的Zn//Zn电池在0.5 mA cm - 2和0.5 mAh cm -2下的恒电流循环。b ) PT-ZHC-Sn@Zn对称电池在1 mA cm - 2和5 mAh cm -2下的恒电流循环。c )裸Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的Zn//Zn对称电池在不同电流密度下的倍率性能和相应的电压滞后。e )裸Zn，Sn@Zn，ZHC-Sn@Zn和PT-ZHC-Sn@Zn的Zn//Cu电池在1 mA cm -2和1 mAh cm -2下的CE。

论文信息

通讯作者：Qichong Zhang, Yagang Yao