武汉理工大学麦立强教授/徐林教授、新加坡A*STAR张永伟Angew:硫化复合物助力实现高可逆锌负极

锂电联盟会长 2024-12-19 09:46
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第一作者:吴璐,袁豪
通讯作者:麦立强,徐林, 张永伟
通讯地址:武汉理工大学,新加坡科学技术研究局
论文链接:
https://doi.org/10.1002/anie.202419495


论文简介
武汉理工大学麦立强教授、徐林教授和新加坡科学技术研究局高性能计算研究所(IHPC)张永伟教授在《Angew. Chem. Int. Ed.》上发表题为“Sulfurized Composite Interphase Enables a Highly Reversible Zn Anode”的文章,该文章的要点如下:(1)采用XPS、TOF-SIMS和TEM等测试证明,普适性的电解液添加剂在锌负极表面原位构筑了硫化复合物固态电解质界面层(SCSEI),其组分为ZnS与-SO3组成的含硫复合物。(2)DTF计算结果表明,ZnS上桥接的-SO3官能团不仅能够降低[Zn(H2O)6]2+的脱溶剂化能垒,还能匀化ZnS/Zn界面电场,提升Zn2+的扩散动力学和引导均匀的锌沉积。(3)得益于ZnS和-SO3的协同作用,Zn||Zn对称电池在10mA cm-2的电流密度下可稳定循环1500 h,实现高达7.5 Ah cm-2的累积沉积容量。Zn||NH4V4O10全电池在5 A g-1下可稳定运行超过2000次。


研究背景
水系锌离子电池(AZMB)因具有储量丰富、本征安全、低成本和无毒环保等优势,在大规模储能等领域展现出广阔的应用前景。然而,热力学不稳定的锌金属在弱酸性电解液中与活性水发生析氢、腐蚀和副产物,引发锌离子不均匀沉积、形成枝晶,严重限制了AZMB的库伦效率和循环寿命,制约了AZMB的开发与实际应用。
目前,原位构建固态电解质界面(SEI)是一种可行的方法,它能有效地抑制析氢副反应并调节锌离子在锌负极上的均匀沉积,对提升锌负极/电解质界面的稳定性和离子扩散动力学意义重大。在众多稳定锌负极SEI设计策略中,硫化物因其具有高的稳定性和离子电导率等优势,在AZMB中被广泛应用。然而,SEI中提升性能的关键成分仍不明晰,尤其是在常用的硫酸盐基电解质中。故而,阐明硫化物复合SEI层中各组分增强锌负极界面稳定性的作用机制,对高效构筑高性能SEI层具有重要意义。

图文导读

图1:(a)SCSEI@Zn和(b)纯锌负极锌沉积机理示意图

图2:SEI组分的化学表征。(a)S 2p和(b)O 1s的XPS刻蚀图谱。(c)基于TOF-SIMS检测0.01F/ZS电解液中锌负极表面的ZnS,-SO3,-F,-CO的空间分布。(d)负电荷模式下循环后的锌负极对应的元素TOF-SIMS深度分布曲线(e)TEM图像、HAADF图像(f)四个典型区域的HRTEM图像以及标记区域的部分放大图像。(g)MD模拟的10 ps时ZnS@SO3结构三维立体示意图。(h)MD模拟ZnS@SO3结构的能量变化图。
图3:纯锌和SCSEI@Zn负极中的(a)计时电流曲线及(b)线性极化曲线和(c)线性扫描伏安曲线。(d-e)纯锌负极和(f-g)SCSEI@Zn负极中循环后的扫描分析图。原位光学显微镜观察(h)纯锌负极中锌沉积截面形貌。(i)SCSEI@Zn负极中锌沉积的截面形貌。

图4:对称Zn//Zn电池在纯锌和SCSEI@Zn负极中的(a)1 mAh cm-2/1 mA cm-2及(b)5 mA cm-2/5 mAh cm-1循环性能。(c)不同电流密度下的倍率性能(d)10 mA cm-2/1 mAh cm-2的循环性能。(e)Zn//Cu电池的库伦效率。在不同循环圈数下Zn//Cu电池的电压分布(f)SCSEI@Zn和(g)纯锌负极。

图5:(a)ZnS@SO3与ZnS结构的锌离子溶剂壳结构逐步脱水的几何结构和能量。(b)ZnS@SO3结构的扩散路径。(c)ZnS@SO3结构的差分电荷密度图。(d)ZnS@SO3结构的静电势分布图。(e)纯锌与SCSEI@Zn负极的阿伦尼乌兹方程。(f)纯锌与SCSEI@Zn负极循环后的XRD图谱。(g) SCSEI@Zn电极和(h)纯锌负极的原位拉曼光谱。

图6:使用纯锌与SCSEI@Zn负极的(a)在5 A/g的电流密度下的循环及(b)倍率和(c-d)SOC性能。(e)使用SCSEI@Zn组装成的小型软包在1 A/g的电流密度下的循环性能。


通讯作者简介
麦立强,武汉理工大学首席教授,博导,副校长,国家杰青(2014),长江学者(2016),“万人计划”领军人才(2016),国家重点研发计划首席科学家,英国皇家化学会会士(2018),中国微米纳米技术学会会士(2022),中国化学会会士(2023)。材料化学与功能材料领域知名专家,长期从事新能源材料与器件科学技术及应用研究。在Nature、Science等刊物发表SCI论文700余篇,SCI总他引7.9万余次。撰写中文专著2部、英文专著2部、英文专著章节2部。获授权国家发明专利148项,其中28项专利与企业进行产学研成果转化与应用。主持国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖(每年仅2人)、国际车用锂电池协会卓越研究奖、国家教学成果二等奖、教育部/湖北省自然科学一等奖(3项)和中国材料研究学会技术发明一等奖,连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家。
徐林,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授,博士生导师,入选国家级高层次青年人才项目。2013年在武汉理工大学获博士学位,随后在美国哈佛大学(2013-2016)和新加坡南洋理工大学(2016-2017)从事博士后研究。主要从事纳米储能材料与器件研究,包括固态电池、水系电池等高安全电池体系,重点围绕纳米材料界面的设计构筑、原位表征及电化学性能。研究成果在Nature Nanotech., Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Chem, Joule等学术期刊发表论文120余篇。获得国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、湖北省自然科学一等奖等科研奖励。
张永伟,现兼任新加坡国立大学客座教授和新加坡技术与设计大学客座教授。目前的主要研究方向为二维材料的生长,物理性质以及器件,再生能源材料,新型合金材料设计和增材制造,以及纤维增强热塑性复合材料用于氢气和氨的储存与运输。相关成果在Science, Nature,等期刊发表学术论文500多余篇。总引用量超过42,000次,h-index为97。2018-2022年连续入选高引用科学家名单。2020年获得新加坡物理学会研究奖。2021年获得新加坡科技局科学工程委员会核心研究基金奖。2022年获得新加坡科技局Distinguished Institute Fellow。2023年获得美国工程科学学会Fellow。
课题组主页:http://mai.group.whut.edu.cn/chs/
『招聘』徐林教授招聘博士后公告
根据工作需要,现拟招聘具备有机化学合成或材料模拟计算背景博士后2名。
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博士后申请方式:
请将个人简历和相关证明材料发送至邮箱linxu@whut.edu.cn。邮件命名:应聘博士后-姓名-毕业院校。
联系方式
联系人:徐林教授
电子邮箱:linxu@whut.edu.cn。
文章来源:清新电源
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