二维沸石咪唑酯骨架应用于水系锌离子电池负极的研究

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环境污染问题和日益增长的能源需求,促进了可再生能源的探索和发展。锂离子电池在可充电电池市场中占据主导地位,然而,锂资源贫瘠、锂离子电池价格高、有机电解质有毒和锂电池安全隐患等问题严重阻碍了它们进一步的大规模储能应用。可充电水系锌离子电池有希望成为锂电池的替代品。金属锌因其具有820 m Ah g-1的高理论质量比容量和5855 m Ah cm-3的体积比容量、低电化学电位(-0.76 V vs.SHE)、成本低且绿色安全等优点,被认为是可充电水系锌离子电池的理想负极。然而,锌负极正面临诸多挑战,如不可控枝晶生长,析氢反应和腐蚀。在电池充电过程中,锌的无序沉积会引发锌枝晶的成核和生长,所产生的枝晶会刺穿隔膜,造成电池内部短路。保护锌负极的策略可分为界面保护和三维载体构建两个部分。二维材料具有可调的化学性质和较高的比表面积,被广泛地应用于锌负极保护的探索中。为了探究锌负极保护策略,我们采用二维沸石咪唑酯骨架(ZIF-L)材料来进行界面保护和三维载体构建。具体内容如下:(1)我们采用了连续生长的方法合成ZIF-L纳米片直接生长在裸露的锌上(ZIF-L@Zn)作为界面保护锌负极。ZIF-L阵列电场分布均匀,有利于锌在表面均匀成核。ZIF-L纳米片的多孔结构能快速脱除锌离子溶剂化结构,为离子扩散提供快速通道,诱导三维扩散,抑制枝晶生长。脱除溶剂化结构还能有效地防止副反应发生。组装电池测试样品电化学性能,ZIF-L@Zn的对称电池在电流密度1 m A cm-2下循环长达2000 h并表现出约80 m V的电压滞后。(2)除了界面保护,我们进一步探究了ZIF-L应用于三维载体保护锌负极的策略。我们采用连续生长的方法合成ZIF-L纳米片直接生长在Ti网(TMs)上(ZIF-L@TMs),在合成过程中掺杂一定比例的Cu2+合成Cu ZIF-L@TMs。类似的,Cu ZIF-L@TMs均匀分布的电场促进锌均匀成核。Cu ZIF-L@TMs多孔结构为离子扩散提供通道,避免锌离子聚集沉积。由X射线吸收精细结构谱(XAFS)结果可知,掺杂的Cu以单原子形式分散,取代了ZIF-L中锌的位置。密度泛函理论计算结果证明Cu的引入极大地提高了载体的亲锌性,并降低锌离子在载体上的扩散能垒,抑制锌枝晶生长。组装电池测试其电化学性能,Cu ZIF-L@TMs/Zn对称电池在电流密度1 m A cm-2下循环长达1100 h并表现出约50 m V的低极化。即使在6 m A cm-2的高电流密度和50%的高放电深度下,也能实现长达650 h约80 mV的电压滞后。
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