香港城大AFM:层次化碳纳米管动态抑制锌枝晶生长

锂电联盟会长 2024-02-14 17:01
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高可逆性、无枝晶镀锌剥离的阳极-电解质界面工程一直是水性锌离子电池(AZIBs)发展的一个重大挑战。在这项研究中,介绍了一种新的方法,通过十六烷基三甲基铵阳离子(CTA+)的功能化,设计了基于层次化碳纳米管(CNT)的宿主。这种分层主机可以动态切换排斥屏蔽来调节镀锌.碳纳米管支架具有高柔韧性和导电性,有利于连续镀锌的可扩展性。同时,纠缠的CTA+阳离子作为操纵者,形成可切换的排斥屏蔽,动态抑制Zn枝晶的生长,并导致阳离子碳纳米管(C-CNT)主体内均匀镀锌。通过密度泛函理论计算进一步阐明了阳离子屏蔽效应。通过加入自适应C-CNT宿主,锌对称电池在1 mA·cm - 2下表现出令人印象深刻的稳定循环寿命,超过6500 h,在4 mA·cm - 2下达到6000 mAh·cm - 2的累积容量。通过耦合C-CNT@Zn阳极和MnO2阴极,在2 A·g−1下循环2000次后,充满电池的容量保持率为88%。自适应碳纳米管主体的设计为锌基储能系统的实际应用提供了一种有前途的电极-电解质界面工程方法。

图文简介

  • 碳纳米管薄膜的阳离子功能化实现的自适应分层宿主的示意图。a)在裸金属电极上镀锌。底部的SEM图像显示了垂直排列的锌片,边缘锋利。b)在c -碳纳米管基体中镀锌。从俯视图的扫描电镜图像显示锌电沉积埋在c -碳纳米管宿主体内。c)可开关阳离子屏蔽层调控Zn镀层生长的机理

  • 裸铜电极和C-CNT@Cu电极的镀锌工艺。面积容量为5 mAh·cm−2,电流密度为2 mA·cm−2的裸Cu和d-f) C-CNT@Cu电极上Zn电沉积的SEM图像和EDS元素映射。用光学显微镜(OM)原位观察g)裸Cu和h) C-CNT@Zn电极上镀锌的过程。比例尺:200µm。i)裸露Cu和C-CNT@Cu电极上沉积Zn的XRD图谱。

  • a) CTAC与石墨表面吸附能的理论计算。b)理论计算证明了阳离子屏蔽层与Zn2+之间的排斥效应。c-f)俯视图,g-n)相应的SEM横截面图像,o)使用不同的CTAC-CNT载体电沉积Zn的示意图

  • a)对称电池在电流密度为1 mA·cm−2时的循环性能,插图为纽扣电池的相应照片。b)在增加电流密度时评估速率性能。c)对称电池在电流密度为4 mA·cm−2时的循环性能。d)累积容量和寿命与报道的宿主材料的比较。e)非对称电池的CE。

C-CNT@Zn‖MnO2 and Zn‖MnO2 电池
论文信息
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202304535

通讯作者:Chengkai Yang,Guo HongWenjun Zhang


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