在可充电金属电池中，锂、钠、锌等金属阳极的库仑效率和循环寿命受到树枝状生长和副反应的限制。中国科学院理化技术研究所闻利平研究员和河南大学赵勇教授提出了在金属阳极上构建负离子浓度梯度(ACG)辅助的固体电解质间相(SEI)以获得超高的离子电导率的概念，SEI层是通过磺酸聚合物和锌(Zn)金属的原位化学反应制备的。ACG-SEI的存在使Zn/Zn对称电池在20 mA cm-2和5 mAh cm-2的大电流密度下稳定电镀/溶出超过2000 h，并且在Zn/MnO2全电池和Zn/AC超级电容器中也观察到改善的循环稳定性。相关工作以“Anion
Concentration Gradient-Assisted Construction of a Solid-Electrolyte Interphase
for a Stable Zinc Metal Anode at High Rates”为题发表在国际著名期刊Journal
of the American Chemical Society上。
要点1. 本研究以阳极锌电镀/剥离行为的调控为模型体系，通过磺酸聚合物与锌金属的原位化学反应，证明了负离子浓度梯度(ACG)辅助SEI层可以在金属阳极上实现其超高离子导电性的概念。要点2. 由于磺酸盐浓度梯度和高体积磺酸盐浓度的驱动作用，ACG-SEI层富集了SEI与Zn金属界面上的Zn2+，促进了Zn2+离子电导率。同时，由于静电屏蔽作用，抑制了负离子在SEI层的扩散，从而显著抑制了枝晶生长和副反应。要点3. ACG-SEI层保护金属锌，使Zn/Zn对称电池(ACG SEI/Zn)在20 mA cm-2和5 mAh cm-2的大电流密度下，连续无枝晶电镀/剥离的超长循环寿命超过2000小时，以及在超大电流密度80 mA cm-2和大放电深度(51%)30 mAh cm-2下，长循环寿命超过800小时。要点4. ACG-SEI层保护的Zn阳极实现了Zn/Cu电池，在2000多次循环中平均CE达到99.8%，且无枝晶堆积。成功地证明了ACG-SEI/Zn阳极在水溶液锌-二氧化锰电池(Zn/MnO2)和锌-活性炭(Zn/AC)复合超级电容器(ZHSs)中的应用，并提高了循环寿命。含负离子浓度梯度的SEI层对金属阳极的稳定循环提供了新的认识，为实际条件下性能卓越的可充电金属电池的技术进步提供了新的线索。图2. 保护锌电极的电化学稳定性。
图3. 不同条件下对称Zn/Zn电池循环后Zn电极的EPMA成像。
图4. ACG-SEI层的Zn2+自富集吸附特性。
图5. 工作态Zn/MnO2电池和Zn/AC混合超级电容器的电化学性能。
Anion
Concentration Gradient-Assisted Construction of a Solid-Electrolyte Interphase
for a Stable Zinc Metal Anode at High Rates
Xiaofeng He, Yanglansen Cui, Yongchao
Qian, Yadong Wu, Haoyang Ling, Huanrong Zhang, Xiang-Yu Kong, Yong Zhao,*
Mianqi Xue, Lei Jiang, Liping Wen*
J. Am. Chem. Soc.
DOI:10.1021/jacs.2c01815
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