【摘 要】
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金属锌因具有高比容量、低氧化还原电势和良好的水系电解液兼容性等优势而成为广泛使用的水系锌离子电池负极材料。然而在实际应用中,锌负极界面仍存在由锌不平整和不均匀沉积带来的严重枝晶问题,缩短了电池使用寿命,阻碍了水系锌离子电池发展。针对以上问题,本文从锌沉积机理出发,通过调控锌负极界面的晶面取向和电荷分布引导锌均匀可逆的沉积行为,显著抑制了枝晶生长。主要研究内容如下:(1)针对商业锌片表面以(101)
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金属锌因具有高比容量、低氧化还原电势和良好的水系电解液兼容性等优势而成为广泛使用的水系锌离子电池负极材料。然而在实际应用中,锌负极界面仍存在由锌不平整和不均匀沉积带来的严重枝晶问题,缩短了电池使用寿命,阻碍了水系锌离子电池发展。针对以上问题,本文从锌沉积机理出发,通过调控锌负极界面的晶面取向和电荷分布引导锌均匀可逆的沉积行为,显著抑制了枝晶生长。主要研究内容如下:(1)针对商业锌片表面以(101)面为主要晶面而导致沉积锌垂直于基底生长的问题,利用CuZn5合金与Zn的解理断裂,构造出表面以(002)面为择优取向的纹理锌负极,极大地改善了沉积锌的平整性。裸露的(002)晶面与基底基本平行且形核势垒低,有利于沉积锌沿平行于基底的方向外延生长,从而显著抑制了枝晶的产生。(2)针对商业锌负极界面电荷分布不均而导致锌聚集性沉积的问题,采用CF4等离子体对锌片表面进行原位修饰,生成了均匀分布的ZnF2微粒。ZnF2不仅降低了锌离子迁移势垒,促进了锌离子均匀分布;还促使电极界面形成有序导电网络。两方面的协同作用有效调控了界面电荷分布,提高了锌沉积/剥离过程的均匀性和可逆性。(3)针对商业锌负极浸润性差导致锌离子迁移阻力大和分布不均的问题,运用O2等离子体对锌负极进行界面改性,原位生成了高纯度且高结晶性的ZnO膜。ZnO的引入显著改善了电极润湿性,促进了锌离子的均匀分布,且降低了电荷转移阻力,从而改善了沉积锌的均匀性和电极过程动力学。
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