成果簡介
水系鋅（Zn）離子電池因其電極材料的廣泛性、安全性、環保性和高能量密度而引起人們的廣泛關注。鋅離子電池採用金屬鋅作為負極，理論能量密度高達820 mAh/g，具有很好的發展潛力。然而，金屬鋅電池水系電解液中表面鈍化和枝晶的生成問題導致了電池壽命的急劇衰減，嚴重製約了其實際應用。在充放電迴圈過程中，鋅負極體積的劇烈變化導致了電極/電解質介面的不穩定。然而，現有的剛性介面塗層在迴圈過程中不能與鋅保持共形接觸，會發生不可逆的斷裂。因此，這樣的介面塗層不足以適應電極的這種變化，無法提供持續的保護。相反，高質量的動態介面將緩衝表面變化，始終與電極保持接觸，並抑制枝晶的生長。因此，合理的介面設計至關重要。有必要構建一個動態的、自適應的保護層來持續保護鋅負極。
成果簡介
近日，哈爾濱工業大學的張乃慶教授團隊開發了一種高度自適應的PDMS（聚二甲基矽氧烷）/TiO2-x塗層，它可以動態適應體積變化並均勻鋅離子沉積，抑制樹枝晶生長，以穩定Zn金屬表面。合成的聚合物PDMS由於B-O鍵的微交聯，具有粘彈性的力學特徵，賦予其高動態適應性。而富氧空位TiO2-x和PDMS的結合誘導了Zn2+的快速和均勻轉移。優異的力學效能和快速傳導為金屬鋅負極的穩定執行提供了有效保障。基於上述兩種協同作用，金屬鋅負極獲得了優異的迴圈效能。本文所構建的自適應介面層為鋅負極的穩定執行提供了充分的保證。相關工作以“Dynamic and Self-adapting Interface Coating for Stable Zn Metal Anode”為標題發表在Advanced Materials期刊上。
圖文導讀
圖1 介面塗層保護作用的原理示意圖，以及材料的物理表徵。（a） Schematic diagram of interface coating and protective mechanism。 （b） Infrared spectra of different coatings。 （c） Raman spectra of partial wave numbers。 （d） X-ray diffraction patterns。 （e） SEM image of the coating surface （the scale in the picture is 10 μm）。 （f） TiO2-xhigh resolution transmission。 （g） EPR to measure oxygen vacancy
圖2 塗層材料的力學分析。（a） B-O bond dynamic change process。 （b） Rheological test of coating Loss modulus and storage modulus of PDMS。 （c） Rheological phase Angle of PDMS and PDMS/TiO2-x。Optical photos of （d） Slow stretching at 0。5 cm s-1（e） Fast stretching at 30 cm s-1
圖3 保護塗層抑制枝晶生長的形貌。Effect of protective layer on inhibition of dendrite growth。 SEM images of Zn metal deposited on PDMS/TiO2-xcoated Zn after 50 cycles under the capacity of a）0。5 mAh cm−2， b）1 mAh cm−2， c）3 mAh cm−2and current density of 1 mA cm−2。 Zn metal deposited on PDMS/TiO2-xcoated Zn after 100 cycles under the capacity of d）0。5 mAh cm−2， e）1 mAh cm−2， f）3 mAh cm−2and current density of 1 mA cm−2（g） optical photographs of bare Zn deposition cross section （h） optical photographs of deposition cross section with protective coating added
圖4 鋅在TiO2-x氧空位的吸附能計算以及枝晶抑制的理論模擬。（a） Theoretical simulation models and surface adsorption energy of zinc with （a） TiO2-xand （b） TiO2。 Bare zinc surface： （c） distribution of ion concentration and （d） current density。 The electrode surface after adding PDMS/TiO2-xcoating： （e） Zn-ion concentration and （f） current density distribution
圖5對稱電池以及Zn||MnO2電池的電化學效能。Battery cycle performance test： （a） Coulomb efficiency of different Zn electrodes at 0。5 mA cm−2and 0。5 mAh cm−2。 （b） The plating and stripping voltage profiles at 1 mA cm−2and 1 mAh cm−2（c） Coulomb efficiency of different Zn electrodes at 10 mA cm−2and 1 mAh cm−2。 （d） platting/stripping voltage curve of different Zn metal anodes at 10 mA cm−2，10 mAh cm−2。 （e） Long cycle performance of the Zn||MnO2battery at 1C。 （f） 400th cycle charge-discharge curve。 （g） Rate performance。
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