『水系锌电』张乃庆课题组 AFM：基于捕获硫酸根和高析氢能垒稳定锌负极

近日，张乃庆课题组设计并制备具有SO₄^2-捕获能力和高析氢能垒的多功能涂层(Zn@SO₄^2--receptor，简写为Zn@SR)以提升锌负极循环稳定性。相关工作以 “Stabilize Zn anode based on SO₄^2- trapping ability and high hydrogen evolution barrier” 为题发表在Advanced Functional Materials 期刊上。

水系锌离子电池(ZIBs)由于其高安全性、环境友好性和低成本成为下一代有潜力的大规模储能设备。然而在循环过程中，除枝晶生长外，氢气析出和(ZnSO₄)∙(Zn(OH)₂)₃∙xH₂O副产物的生成同样影响锌负极的稳定性。此前针对枝晶生长已有大量的研究，而对于氢析出及相关副反应问题的讨论相对较少。

课题组发现，具有大量-NH基团的SR分子可以通过-NH∙∙∙∙∙∙O氢键“捕获”电解液中的SO₄^2-。由此产生的带负电的SR-SO₄^2-层可以通过静电作用吸引电解液中Zn²⁺并加快Zn²⁺向负极迁移，同时促进的Zn²⁺分散作用可以有效抑制锌的不均匀沉积。另一方面，SR-SO₄^2-高的ΔG_H*提升了氢析出能垒，减小了由于氢析出导致的电极表面局部pH变，同时，SR-SO₄^2-层对电解液中自由的SO₄^2-的排斥作用使副反应得到有效的解决。基于以上因素，Zn@SR负极展现出优异的快速大容量循环稳定性。

 ▲ (a)裸锌的沉积表现，(b) Zn@SR-SO₄^2-的沉积表现，(c) SR的作用机理展示。---

本文通过构建SR涂层以保证Zn负极的稳定运行。SR可以“捕获”电解液中的SO₄²⁻，由此产生的带负电涂层可以有效地分散Zn²⁺+并加快Zn²⁺传输，稳定锌负极的大电流循环。此外副反应也由于带负电涂层对自由SO₄²⁻的排斥以及SR-SO₄²⁻的高ΔG_H*而受到有效的抑制。基于以上因素，Zn@SR对称电池表现出在10mA cm⁻²下10000次循环和5mAh cm⁻²下450次循环的优异稳定性。这项工作为锌负极的表面改性提供了新的设计策略，实现了水系锌离子电池稳定的快速大容量循环。