AFM: 用于无枝晶水系锌离子电池的原位分子自组装

文章总结

低成本且环境友好的水系锌离子电池（AZIBs）的大规模应用在很大程度上受到锌枝晶生长的阻碍，而锌枝晶的生长源于锌沉积的不均匀性。为了应对这一挑战，将 4-（2 - 羟乙基）-1 - 哌嗪乙磺酸作为电解质添加剂引入，以在锌阳极（Zn@HEPES）上原位构建有序的自组装单分子层，提供均匀的活性位点，作为锌离子成核调节剂，这些活性位点可根据环境条件动态且自发地得到补充。与此同时，由于锌离子溶剂化鞘层得到调控以及 Zn@HEPES 的疏水性，活性水分子与锌阳极之间的直接接触得到有效改善，这促进了锌离子的传输和沉积动力学。上述协同效应使得高度可逆的锌氧化还原反应得以实现，从而获得均匀且致密的锌电沉积，并抑制了锌枝晶的生长。因此，由此制备的 Zn||Zn 对称电池在 1 毫安每平方厘米的电流密度下可展现出长达 4000 小时的优异长期稳定性。此外，在 Zn@HEPES 的辅助下，耦合锌阳极和二氧化锰阴极的全电池也表现出卓越的反应可逆性和容量保持率。这项工作在分子层面展示了一条独特的途径，用于精确调控锌的电沉积过程，以实现水系锌离子电池的实际应用。

图文简介

锌离子沉积行为的示意图

a) 用于 “浸入 - 提拉” 模式角分辨光电子能谱（APXPS）测量的两电极装置的数码照片。b) 锌阳极的角分辨光电子能谱（APXPS）测量的示意图。c) 锌箔的氧（O）1s 能谱。d) 锌箔的锌（Zn）2p3/2 能谱。e) 锌阳极的 “浸入 - 提拉” 模式角分辨光电子能谱（APXPS）测量的示意图。f) 相应锌阳极的氧（O）1s 能谱。g) 相应锌阳极的锌（Zn）2p3/2 能谱。h) 分析腔室以及在环境条件下锌阳极上自组装单分子层（SAMs）原位表征的示意图。i) 使用不同电解质循环 20 次后锌阳极的能谱仪（EDS）元素面分布图。

a) 不同电解质的氢 - 1 核磁共振（1H NMR）谱图。b) 不同电解质的锌（Zn）K 边 X 射线吸收近边结构（XANES）谱图，以及 c) 不同电解质的傅里叶变换扩展 X 射线吸收精细结构（FT-EXAFS）谱图。d-f) 不同电解质的小波变换图。g) 使用不同电解质循环 20 次后，水（H₂O）在锌阳极上的平均接触角。h) 使用不同电解质的 Zn||Zn 对称电池的循环伏安曲线。

锌沉积行为的原位光学图像：a) 无 4-（2 - 羟乙基）-1 - 哌嗪乙磺酸（HEPES）时和 b) 有 HEPES 时的情况。c) 不同电解质中沉积 10 分钟后的局部放大图。d) 浸泡在不同电解质中 5 天的锌阳极的扫描电子显微镜（SEM）图像。在以下电解质中循环 20 次后的锌阳极的原子力显微镜（AFM）图像：e) 无 HEPES 的电解质中和 f) 有 HEPES 的电解质中。g) 不同电解质中循环后的锌阳极的高度和表面电位值。

不同电解质条件下锌阳极的电化学性能

论文信息

通讯作者：Yong Han, Zhi Liu, Tiefeng Liu, Liang Zhang

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