近日，我所無(wú)機(jī)膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員、朱凱月研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池金屬負(fù)極研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)利用陰離子表面活性劑增強(qiáng)了電極界面對(duì)鋅離子的吸附，實(shí)現(xiàn)了高Zn(002)取向的無(wú)枝晶鋅負(fù)極。此外，團(tuán)隊(duì)提出了以電極/電解液界面處?kù)o電吸附強(qiáng)度作為電解液添加劑的初步篩選標(biāo)準(zhǔn)。
水系鋅離子電池具有安全性高、成本低、離子電導(dǎo)率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，金屬鋅負(fù)極在循環(huán)的過(guò)程中存在枝晶、腐蝕、析氫等問(wèn)題，其中枝晶問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電池短路失效，同時(shí)伴隨一定的安全隱患，限制了水系鋅離子電池的發(fā)展。
本工作中，團(tuán)隊(duì)提出增強(qiáng)電極界面處?kù)o電吸附的策略，利用廉價(jià)的陰離子表面活性劑（例如十二烷基苯磺酸鈉）在電極界面處的自發(fā)排列特性，構(gòu)建了一層帶負(fù)電的分子吸附層；通過(guò)十二烷基苯磺酸根離子層與帶正電荷的鋅離子之間的靜電吸附，增強(qiáng)鋅離子沉積過(guò)程中的二維擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)致密沉積。研究發(fā)現(xiàn)，由于致密沉積的特性，以及陰離子表面活性劑在剝離過(guò)程中的作用，使得電極在循環(huán)的過(guò)程中，Zn(002)晶面取向不斷增強(qiáng)，平整度逐漸增加，存在電極自?xún)?yōu)化的過(guò)程。此外，團(tuán)隊(duì)根據(jù)界面處?kù)o電吸附的強(qiáng)弱，利用電極活性面積變化率作為橋梁，提出了鋅離子沉積過(guò)程中的瞬時(shí)形核模型，以及連續(xù)形核模型，用于解釋目前存在的兩種典型對(duì)稱(chēng)電池曲線(xiàn)，理論結(jié)果與實(shí)際曲線(xiàn)一致，驗(yàn)證了兩種模型的有效性。最后，根據(jù)增強(qiáng)靜電吸附的策略及提出的連續(xù)形核模型，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選出了兩種陰離子表面活性劑（十二烷基硫酸鈉、月桂亞氨基二丙酸二鈉），證實(shí)了增強(qiáng)界面靜電吸附以及模型的普適性。
相關(guān)成果以“Highly 002-Oriented Dendrite-Free Anode Achieved by Enhanced Interfacial Electrostatic Adsorption for Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題，于近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)-納米》（ACS Nano）上。該工作的第一作者是我所504組博士研究生謝威立。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。（文/圖 謝威立、朱凱月）
