北理工团队在水系锌离子电池领域取得重要进展

近日，北京理工大学材料学院白莹教授研究小组在水系锌离子电池负极保护方面取得重要进展。1月4日，相关研究成果以“Stabilizing Zn Metal Anodes via Cation/Anion Regulation towards High Energy Density Zn-Ion Batteries”为题发表在材料类国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》。北京理工大学材料学院白莹教授与吴川教授为本论文共同通讯作者，博士后赵然为第一作者。

水系锌离子电池安全性高、成本低且绿色环保，是下一代大规模储能技术强有力的竞争者，是服务“双碳”战略实现“新能源+储能”的重要途径。由于锌资源在我国储量充沛、金属理论容量高且具有合适的电极电位，锌金属在负极领域受到广泛关注。然而，锌的沉积与剥离伴随着钝化、腐蚀、析氢等副反应的发生和不均匀锌沉积造成的枝晶生长，导致电池容量衰减、低库仑效率和寿命受限。

针对这一问题，北京理工大学白莹教授研究小组使用三维孔径相同的微孔材料作为人工界面层，通过同时调节阳离子和阴离子流抑制副反应的发生并实现了锌离子的均匀沉积。实验结果、DFT以及COMSOL理论模拟计算表明，微孔沸石有效阻碍了电解液中硫酸根在锌金属表面的聚集，从而抑制了Zn4(OH)6SO4·xH2O的形成；沸石的使用均匀了负极表面的锌离子流以及电场分布，同时，其骨架中的氧元素与锌离子相互作用，诱导无枝晶锌（002）沉积；带负电的沸石分子筛骨架通过静电作用吸引溶剂中的锌离子，减弱了负极侧的浓差极化，使电极的过电位降低。具体实验结果与离子传输机理如图1所示。

图1 沸石分子筛保护功能研究以及离子传输示意图

得益于保护层的多重功能，修饰后的锌负极性能得到极大的提升。对称电池实现了2400小时的长循环（5 mA cm-2/2 mAh cm-2）、超过500小时的深度锌沉积/剥离和高电流密度（100 mAh cm-2）耐受性；与二氧化锰组装的全电池表现出优异的性能（如图2），在充放电过程中产生了较少的副反应产物，表现出较低的界面电阻，7500次循环后容量保持率高达76.4%；利用该种保护层构建的无负极电池显示出192.8 Wh kg-1的高能量密度（基于全电池中所有活性电极材料质量）。以上结果为锌金属负极保护策略提供了新的研究思路，使用性能优异、成本低、环保、工业制造技术成熟的沸石作为人工界面，有利于开发商业化的长寿命锌负极，促进水系锌离子电池的实际应用。

图2 人工界面层对全电池性能的提升作用

全文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202203542

附作者介绍：

赵然，材料学院博士后。2017年博士毕业于美国亚利桑那州立大学。主要从事多价金属离子电池关键材料的制备、性能与机理研究，包括锌离子电池、钙离子电池以及铝离子电池等。发表SCI收录论文21篇，申请专利5项，主持国家自然科学基金青年项目以及博士后面上项目。

吴川，教授，博士生导师，国家高层次人才，Science合作期刊Energy Material Advances副主编。主要关注能量储存与转体系及其关键材料，包括锂离子电池、钠离子电池、铝二次电池以及其他高性能二次电池新体系。作为负责人主持国家973课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点、教育部博士点基金等科研项目。

白莹，教授，博士生导师，入选英国皇家化学会会士、教育部新世纪优秀人才。从事先进二次电池、轻质储氢等新型储能材料研究，主要包括锂/钠/锌电池等体系的关键材料、电极与电解液界面稳定性、电池热分析与热安全等基本科学问题。作为负责人主持国家863计划课题、国家自然科学基金、国家基础研发课题、国家重大专项课题等项目。