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材料学院刘兴泉教授团队在Energy&Environmental Science发表研究成果
文:刘兴泉 来源:材料学院 时间:2024-03-04 1092

  锌金属基电池(ZMB)因其高性价比和高安全特性而被广泛认为是一种前景广阔的储能设备,但其不均匀的Zn2+沉积会促进锌枝晶的快速生长。电子科技大学刘兴泉团队,香港理工大学Zhao Jingxin团队,扬州大学庞欢团队介绍了一种新颖的功函数化学策略,通过在商用玻璃纤维(GF)隔膜上包裹一系列氮化物(WN0.67、VN、Mo2N和NbN)来改善Zn2+通量和传输动力学。密度泛函理论和实验结果评估结果显示,功函数较低的氮化物在重建Zn2+通量和自发排斥有害SO42-方面表现出更强的能力。此外,NbN@GF隔膜还能抑制副反应,促进(002)晶面的优先取向,从而实现金属锌在水平方向上的无枝晶生长,并使锌的可逆循环达到了约3000小时。作为概念验证,锌金属全电池与Mn-MIL-100衍生的Mn3O4@C多面体和NbN@GF隔膜相结合,在4000次循环后实现了85.3%的超常容量保持率。多功能NbN改性隔膜的设计和所提出的功函数化学策略为研究电池隔膜提供了实用的和通用性的参考依据。

  近日,该成果以《Redistributing Zinc-ion Flux by Work Function Chemistry toward Stabilized and Durable Zn Metal Batteries》为题,发表在国际著名期刊《Energy & Environmental Science》,第一作者为电子科技大学刘兴泉教授的博士生胡强(Hu Qiang)同学。

图1. 四种氮化物的电化学特性和理论特性

图2. GF隔膜表面四种氮化物的离子筛分函数

  密度泛函理论(DFT)和实验评估结果表明,功函数较低的氮化物在重建Zn2+通量和自发排斥有害的SO42-方面表现出增强的能力。

图3. 带有未经处理的GF隔膜和NbN@GF隔膜的锌阳极的沉积形态

图4. 采用未经处理的GF和NbN@GF隔膜的Zn阳极的电化学性能

  此外,NbN@GF隔膜可以抑制副反应并促进(002)晶面的优选取向,从而实现锌金属在水平方向上的无枝晶生长,并实现了约3000小时的可逆锌金属电池循环。

图5.锌金属全电池性能

  作为概念证明,锌金属全电池与Mn-MIL-100衍生的Mn3O4@C多面体和NbN@GF隔膜,在4000次循环后实现了85.3%的超常容量保持率。

图6. Mn3O4@C反应机理

  多功能NbN改性隔膜的设计和提出的功函数化学策略为电池隔膜的研究提供了实用的和通用性的参考依据。

  研究人员提出了一种通过一系列氮化物包裹商用GF隔膜来实现功函数化学反应的新策略。在进行了全面的理论和实验分析后,研究人员发现NbN@GF隔膜因其较低的功函数而具有更强的重构Zn2+ 通量的能力,并同时排斥有害的SO42-。此外,NbN@GF隔膜不仅能促进Zn2+ 的传输动力学,还能持续调节金属锌向(002)晶面的可控生长,从而实现均匀的沉积和剥离过程。因此,采用NbN@GF隔离层的锌对称电池在0.5 mA cm-2电流密度/0.5 mAh cm-2面容量密度的条件下具有3000 h的超长循环寿命和较低的过电位(<35 mV)。同时,Zn||Ti半电池在2 mA cm-2电流密度/1 mAh cm-2面容量密度条件下的过电位较低,仅为65.2mV,循环寿命长达800h。此外,带有NbN@GF隔离层的Zn|NbN@GF|Mn3O4@C电池在2 A g-1 的高电流密度条件下,经过4000次循环后,容量保持率仍高达85.3%,而在0.2 A g-1 的较低电流密度条件下,即使经过400次循环,比容量也能保持在261 mAh g-1。本工作提出的功函数化学策略和设计的多功能NbN@GF隔膜为构建耐用的ZMB提供了宝贵的指导和参考依据。

  Redistributing Zinc‐ion Flux by Work Function Chemistry toward Stabilized and Durable Zn Metal Batteries

  Energy Environ. Sci., 2024, Accepted Manuscript

  https://doi.org/10.1039/D3EE04304E 

 


编辑:李果  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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