研究背景
水系鋅離子電池 （ZIBs） 由於鋅金屬負極的優點（高理論容量 800 mAh g-1和低氧化還原電位 -0。76 V vs。 SHE）和水系電解質高安全性，近些年頗受關注。然而，水系電解質也會導致鋅負極產生嚴重的副反應，如枝晶、腐蝕和析氫反應 （HER）。這些問題明顯降低了鋅負極的庫侖效率和迴圈壽命，阻礙了 ZIBs 的實際應用。目前已經有多種策略被開發來解決上述問題（主要是透過調控離子轉移和沉積行為），包括在鋅金屬上構建保護層或固體電解質介面，開發新的集流體，或使用寬電化學視窗的電解質（例如“高濃鹽”、離子液體、有機或固體電解質）。上述策略都在一定程度上提高了鋅金屬基 ZIBs 的迴圈壽命，但是鋅金屬本身的問題仍然存在，尤其是當面對高正極負載量的情況下，負極的副反應難以抑制。此外，目前所有報道的 ZIBs 都使用了過量的 Zn 金屬，導致負極利用率低（通常
用非金屬負極代替金屬鋅負極可以成為消除鋅金屬這些副反應的高效策略。理想的非鋅金屬負極應滿足以下條件要求：還原電位接近 Zn2+/Zn 的電位，與Zn2+反應的效率高，容量高，與水性環境相容性好。目前為止，ZIBs 中的非金屬負極都以插層型材料為主，包括Mo6S8， Na0。14TiS2和 PTCDI等。這些負極由於它們的嵌入反應機理導致其相對較低的比容量和不穩定的輸出電位，因此以這些材料組裝成的全電池的容量和迴圈壽命並不令人滿意（容量通常低於 80 mAh g-1，迴圈低於300圈）。相比之下，具有高比容量和穩定輸出電壓的基於轉換機理的負極具有巨大潛力，但這方面卻從未有報道。因此，迫切需要尋求一種基於轉換機制的非鋅金屬負極以實現 ZIBs 的效能增強和穩定性最佳化。
成果簡介
近日，
香港城市大學支春義課題組
等人利用硫族元素碲（Te）作為轉換型負極來構建新型無鋅的水性 ZIBs。由於 Te 在水系環境中的高電導率 （2 × 102S m-1） 和出色的穩定性，兩種不同的轉化過程（Te 到 ZnTe2到 ZnTe（中性）和 TeO2到 Te 到 ZnTe（鹼性））被成功應用到ZIBs。而隨後對正負極容量進行匹配得到的 Te/MnO2和 Te/Ni（OH）2全電池可以輸出高放電容量，分別高達 106 和 161 mAh g-1，並且伴隨著高負極利用率（高達 50。1% （Te/MnO2） 和 38。9% （Te/Ni（OH）2））。由於 Te 負極具有適中的氧化還原電位（溫和電解質中為 -0。02 V vs。 SHE，鹼性電解質中為 -0。63 V vs。 SHE），其徹底消除了鋅枝晶和 HER 問題，實現了超長迴圈壽命（5000 次迴圈後容量保持率 >75%）。此外，全電池也能夠輸出高能量密度：176。3 Wh kg-1（Te/Ni（OH）2）和 81 Wh Kg-1（Te/MnO2）。該文章發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。陳澤為本文第一作者， 支春義教授為本文唯一通訊作者。
圖文導讀
圖1。 Te 負極的材料表徵。
圖2。 中性 Te/MnO2電池的電化學效能以及反應機理表徵。
圖3。 鹼性 Te/Ni（OH）2電池的電化學效能。
圖4。 鹼性 Te/Ni（OH）2電池的反應機理表徵。
圖5。 Te 基 ZIBs 的抑制產氣效能，負極利用率以及同其他 ZIBs的效能比較。
Chen， Z。， Li， C。， Yang， Q。， Wang， D。， Li， X。， Huang， Z。， Liang， G。， Chen， A。 and Zhi， C。 （2021）， Conversion-type Non-metal Elemental Tellurium Anode with High Utilization for Mild/alkaline Zinc Batteries。
Adv. Mater.,
2105426。 https：//doi。org/10。1002/adma。202105426
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