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【研究背景】
與鋰、鈉和鉀等堿金屬相比，鋅金屬具有較低的價格、較高的地殼豐度、較高的水環境穩定性以及較低的氧化還原電位(?0.76 V vs標準氫電極）和高比容量（5855 mAh-cm?3).所有這些優點共同使得水性鋅離子電池（AZIB）被視為商業化最具吸引力的候選產品之一，相關研究也逐漸成為新能源領域的熱點。不幸的是，枝晶生長和副反應這一棘手的問題將無法解決鍍鋅/剝鋅過程中嚴重損壞陽極-電解液界面過程中，導致不可控的鋅沉積，這都成為了阻礙水系鋅離子電池商業化的重大難題，如何解決這些問題成為了當前研究的重中之重。
【文章簡介】
近日，來自深圳大學的張培新教授團隊，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為“A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabled by In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase‘’的研究文章，提出了一種通過電解液添加在負極表面原位構建一層金屬界面相的鋅負極改性方法，形成的銦金屬界面相不僅能夠抑制枝晶生長，誘導鋅均勻沉積，同時還能抑制副反應的發生，從而達到保持鋅離子電池超穩定循環的目，為鋅負極保護研究提供了新的思路。
圖1：原位構建多功能金屬界面相的示意圖。
【本文要點】
要點一：原位構建的銦金屬界面相增強鋅負極抗腐蝕和抑制枝晶功能的表征
通過簡單的電解液添加的方法原位構建多功能金屬界面相。相比于鋅金屬，銦具有更高的還原電位（-0.338V vs標準氫電極），因此，在電池靜置過程中，銦離子能夠在溶液中與鋅金屬自發地進行置換反應，從而在鋅金屬表面形成一層銦金屬鍍層。通過SEM、EDS、XRD、DFT計算等證明銦金屬界面相對副產物生成的抑制以及對調節Zn（002）面優先沉積的作用，通過測量循環后電池厚度來證明界面相抑制析氫的作用。
圖2：原位構建的銦金屬界面相對抗腐蝕性能的表征。
圖3：原位構建多功能金屬界面相對副產物生成和枝晶生長的抑制作用的表征。
要點二：鋅沉積模式的原位/非原位觀察
通過原位光學顯微鏡在線監測鋅負極在沉積過程中鋅的生長情況，可以發現在未改性的鋅箔表面，鋅沉積呈現一種無序的狀態，鋅傾向于在不均勻分布的成核位點上持續生長，最終形成枝晶，而改性后的鋅負極表面鋅沉積是均勻而平整的。通過非原位的SEM表征在微觀層面上也能觀察到類似的沉積模式。
圖4：鋅沉積過程的原位／非原位觀察。
要點三：鋅負極穩定性和全電池電化學性能
圖5.對稱電池測試表征鋅負極穩定性。
圖6.Zn-V2O5全電池電化學性能。
要點四：總結
本文通過簡單的電解液添加的方法原位構建了多功能的銦金屬負極—電解液界面相，這種堅固的界面相表現出良好的環境穩定性，通過隔離鋅負極和水系電解液，可以有效抑制析氫和腐蝕的副反應。此外，由于鋅原子與In(002)平面之間存在較強的電子相互作用，Zn(002)與In(002)平面之間存在較低的失配，鋅沉積更傾向于沿著光滑的Zn（002）面生長。結果表明，通過電解液添加劑改性可以獲得超穩定的鋅負極，并提高Zn-V2O5全電池的電化學性能。
【文章鏈接】
A New Insight into Ultrastable Zn Metal Batteries Enabled by In Situ Built Multifunctional Metallic Interphase
https://doi.org/10.1002/adfm.202109749.
【通訊作者簡介】
張培新，深圳大學化學與環境工程學院二級教授，先后主持國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目子課題、廣東省自然科學基金等40多項課題。獲省級科學技術獎二等獎4項、三等獎3項，獲國家發明專利授權16件，出版專著2部，發表論文320多篇，其中包括Chem.Soc.Rev.,Angew.Chem.Int.Ed.,Adv.Mater.,Adv.Energy Mater.,Adv.Funct.Mater.,Nano Energy等國際著名期刊。
