0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

通过设计负电性量子点添加剂降低界面浓度梯度实现无枝晶锌负极

清新电源 来源:水系储能 2023-04-03 09:26 次阅读

研究背景

由于其高理论体积容量(5855 mAh cm−3)、低氧化还原电位(−0.762 Vvs. SHE)和本征安全性,水系锌(Zn)电池引起了广泛的关注。然而,Zn枝晶的生长和Zn-电解液界面的副反应,如氢析出反应(HER)和Zn腐蚀,阻碍了其发展。由于Zn/Zn2+的低氧化还原电位,Zn沉积过程中,在Zn-电解液界面上析氢反应无法避免,这将导致Zn电池的库仑效率(CE)和循环稳定性降低。此外,由于“尖端效应”,锌枝晶生长加剧了副反应和可能的隔膜刺穿,导致在充放电过程中发生电池短路。因此,有必要开发具有均匀的Zn沉积/溶解和减少副反应的Zn负极,延长Zn电池的使用寿命。

为了缓解枝晶问题,之前的工作报道了各种策略来提高Zn负极的循环稳定性,如界面修饰,电解液优化和三维集流体等。其中,电解液添加剂已被广泛用于诱导无枝晶Zn沉积,旨在通过电磁屏蔽效应或调节Zn2+溶剂化结构来实现。然而,关于高倍率下界面浓度梯度对Zn沉积过程的影响的研究却鲜有报道。值得一提的是,高界面浓度梯度不仅降低了锌离子在电极界面的反应动力学,而且促进Zn2+在“尖端”上的优先聚集,加速了锌枝晶的生长。因此,通过合理设计电解液添加剂以缓解界面浓度梯度,进而抑制负极界面的锌枝晶生长和负反应发生将具有很好的应用前景。

鉴于此,天津大学-新加坡国立大学福州联合学院和天津大学的杨全红教授与杨春鹏教授团队提出了通过在电解液中添加N,S掺杂的碳量子点(NSQDs)来缓解界面浓度梯度以促使Zn的均匀成核沉积。解决了高倍率循环下,锌离子在界面的浓度梯度问题,实现了锌负极的高倍率稳定循环。

研究亮点

通过在水系电解液中引入带负电荷的量子点添加剂,降低界面的锌离子浓度梯度,实现了均匀的锌沉积;

量子点上丰富的含氧基团被金属Zn还原,从而与氧化的Zn2+相互作用,在Zn表面形成Zn-O键。为Zn2+预成核提供了丰富的位点;

由于降低的界面浓度梯度,锌负极实现了高倍率的稳定循环,在20 mA cm-2电流密度下,累计容量高达5900 mAh cm-2。

0d678c88-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

原理示意图:(a) 高浓度梯度: 锌负极存在诸如Zn2+传输缓慢、锌枝晶形成和HER等问题。(b) 浓度梯度降低: 形成带负电荷的NSQDs层以改善锌离子的传输,促进无枝晶锌沉积并抑制HER副反应。

图文导读

图1.量子点的物理性质表征图.

0d7f7992-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图 1. (a)透射电镜图片,(b) 红外光谱,光电子能谱图 (c) N1s,(d) S2p, and (e) C1s. (f)NSQDs量子点结构示意图.

▲通过一系列物理表征证明氮硫掺杂量子点材料的成功制备。

图2. 量子点诱导锌均匀沉积的机理图.

0d909754-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

图2. (a) 在中性溶液中添加ZnSO4前后NSQDs的zeta电位变化;(b) 显示了用NSQD分散液浸渍的Zn箔的SEM和EDS mapping;含NSQDs的电解液:沉积容量为(c) 0.5,(d) 1和(e) 2mAh cm−2;普通电解液:沉积容量为 (f) 0.5,(g) 1和(h) 2 mAh cm−2;在(i)普通电解液和(j)含NSQDs电解液中(NSQDs的zeta电位增加)数值模拟的电位分布。在(k)普通电解液和(l)含NSQDs电解液中(NSQDs的zeta电位增加)的离子浓度分布。

▲量子点表面的悬浮含氧官能团可以与锌发生反应附着在锌负极表面。带有负电荷的量子点层可以调节界面锌离子浓度梯度,实现均匀的锌沉积。通过理论计算发现,随着表面层的zeta电位增加,表面的浓度梯度会逐步降低,将更有利高倍率下锌负极的无枝晶沉积。

图3. 电解液的电化学性质.

0d9c0b02-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

(a) Zn对称电池在使用NSQD添加剂前/后进行10个循环的EIS谱图;(b) 5 mA cm−2下Zn2+的成核过电位测试;(c) 0.5 mV s−1下Zn沉积/剥离的CV曲线;(d) Zn负极在有/无NSQD添加剂条件下的LSV曲线;(e) 在有/无NSQD添加剂条件下,线性极化曲线显示Zn箔的腐蚀速率;(f) XRD图谱显示浸泡在2M ZnSO4中的有/无NSQDs的Zn负极。

▲通过电化学表征,可以证明添加了NSQDs添加剂的锌负极具备较低的成核过电位,对副反应的抑制效果也较为明显。

图4. 对称电池的电化学性能.

0dab7bfa-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

添加/不添加NSQD添加剂的电池性能;(a)电流密度从0.2到20 mA cm−2时Zn对称电池的倍率性能;(b) 以0.5mAh cm−2的沉积/脱落容量在2mA cm−2下的Zn对称电池的循环性能;(c) 在20 mA cm−2 (1 mAh cm−2)下进行的Zn对称电池循环性能;在不添加NSQDs的情况下,10 mA cm−2 (0.5 mAh cm−2)进行10个循环后的SEM图像;(d)和添加NSQD的情况下的图像;(e),(f)Zn//Cu电池的CE曲线。

▲含有NSQDs添加剂的对称电池展现出优异的倍率性能和循环性能。通过SEM图可以观测到,含有NSQDs添加剂的锌负极经过循环后显示出光滑的表面,与无添加剂形成的枝晶形成鲜明的对比。

图5. 全电池性能.

0db62852-d1ab-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

NSQDs的全电池性能:(a)在不同的充电/放电电流密度下,含有NSQDs的Zn//ZVO的电压曲线;(b)比较有无NSQDs添加剂的Zn//ZVO的倍率性能;(c)在4 A g-1的电流密度下,Zn//ZVO电池的容量保持率和CE曲线;(d) ZVO负载量为4.4 mg cm-2的全电池循环稳定性。(e)含有NSQDs添加剂的软包电池的循环稳定性。

▲通过全电池测试结果分析,含有NSQDs添加剂的全电池展现出优异的倍率性能和循环稳定性,组装软包电池也可实现良好的循环稳定性。

研究结论

本文提出通过向电解液中引入负电性量子点添加剂缓解界面Zn2+浓度梯度,以实现均匀的Zn沉积。NSQDs具有丰富的含氧官能团,可以与锌片反应,形成有效的NSQDs层。生成的NSQDs层为Zn2+的预沉积提供丰富的成核位点。同时,在Zn表面附近的带负电荷的碳点使电场均匀化并降低了Zn2+在Zn-电解质界面上的浓度梯度。通过缓解界面浓度梯度,添加NSQDs添加剂的对称电池表现出了良好的倍率性能。组装的全电池在循环1500次后表现出85.9%的高容量保持率。在软包全电池测试中依然表现出优异的循环稳定性,在循环250次后保持81%的容量。这项工作展示了一种稳定Zn负极的方法,更重要的是,提供了一种通过调节界面浓度梯度来抑制锌枝晶形成的新思路。






审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 锌电池
    +关注

    关注

    0

    文章

    36

    浏览量

    7808
  • 充放电
    +关注

    关注

    0

    文章

    167

    浏览量

    21840
  • 电解液
    +关注

    关注

    10

    文章

    848

    浏览量

    23095
  • 软包电池
    +关注

    关注

    1

    文章

    175

    浏览量

    7980

原文标题:『水系锌电』NUS&TJU杨全红/杨春教授EnSM:通过设计负电性量子点添加剂降低界面浓度梯度实现无枝晶锌负极

文章出处:【微信号:清新电源,微信公众号:清新电源】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    多功能高熵合金纳米层实现长寿命负极钠金属电池

    合金界面层因其增强的亲钠、丰富的活性位以及均匀化的电场分布,有效地降低了钠成核势垒,抑制了钠
    的头像 发表于 12-18 10:29 201次阅读
    多功能高熵合金纳米层<b class='flag-5'>实现</b>长寿命<b class='flag-5'>无</b><b class='flag-5'>负极</b>钠金属电池

    离子液体添加剂用于高压负极锂金属电池

    ,醚溶剂氧化受到抑制,铝腐蚀加剧。因此,在使用LiFSI基浓缩电解质时,在不牺牲镀锂/剥离效率的情况下抑制LiFSI基电解质的Al腐蚀至关重要。其中,电解质添加剂已成为抑制Al腐蚀的最常用方法之一,通过配制含有适当阴离子和阳离子的离子液体
    的头像 发表于 12-10 11:00 258次阅读
    离子液体<b class='flag-5'>添加剂</b>用于高压<b class='flag-5'>无</b><b class='flag-5'>负极</b>锂金属电池

    振有方向吗

    振没有方向,振引脚不分正负极
    的头像 发表于 10-31 11:46 450次阅读
    <b class='flag-5'>无</b>源<b class='flag-5'>晶</b>振有方向吗

    关于立柱机器人在内蒙古饲料添加剂码垛现场的应用

    的企业开始引入立柱机器人来自动化完成饲料添加剂的码垛工作。  一、立柱机器人特点  1.效高:立柱机器人通过经确的传感器和控制系统,能够准确地识别每个包装袋的位置和大小,从而快遬将其码放在托盘上。相比人工码垛,立柱机
    的头像 发表于 08-16 10:32 217次阅读

    【《计算》阅读体验】量子计算

    经典计算机的能力。 量子计算的重要在于三。首先,量子计算对强丘奇-图灵论题提出了明确挑战。强丘奇-图灵论题断言,任何可物理实现的计算装置
    发表于 07-13 22:15

    应用于封装凸块的亚硫酸盐氰电镀金工艺

    针对液晶驱动芯片封装圆电镀金凸块工艺制程,开发出一种新型亚硫酸盐氰电镀金配方和工艺。[结果]自研氰电镀金药水中添加了有机膦酸添加剂和晶
    的头像 发表于 06-28 11:56 1985次阅读
    应用于封装凸块的亚硫酸盐<b class='flag-5'>无</b>氰电镀金工艺

    有源矩阵数字微流控芯片,用于生成高分辨率浓度梯度

    在生物化学研究中,样本的浓度梯度制备对于理解复杂的生物学过程至关重要。浓度梯度在例如DNA分析、药物筛选和免疫学分析等多种生物化学实验中起核心作用。
    的头像 发表于 05-19 17:40 1104次阅读
    有源矩阵数字微流控芯片,用于生成高分辨率<b class='flag-5'>浓度梯度</b>

    聚焦生长的负极设计

    下一代高能量密度电池有望以锂金属作为负极,然而金属锂内在问题,尤其是生长,一直是其实际应用的障碍。
    的头像 发表于 03-18 09:10 687次阅读

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】 跟我一起漫步量子计算

    的未来。首先,量子计算机在药物研发领域具有颠覆的潜力。通过模拟分子的复杂相互作用,量子计算机可以加速新药的研发过程,这不仅可以更快地找到治疗各种疾病的药物,而且可能推动个性化医疗的普
    发表于 03-13 19:28

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】+ 了解量子叠加原理

    的位置和方向对应着量子比特的状态。量子比特状态的操作和变化可以在布洛赫球上用旋转和移动的方式进行描述。通过旋转和移动布洛赫球上的,我们可以改变量子
    发表于 03-13 17:19

    碳化硅压敏电阻 - 氧化 MOV

    的碳化硅压敏电阻由约90%的不同晶粒尺寸的碳化硅和10%的陶瓷粘合剂和添加剂制成。将原材料制成各种几何尺寸的压敏电阻,然后在特定的大气和环境条件下在高温下烧结。然后将一层黄铜作为电触点喷上火焰。其他标准
    发表于 03-08 08:37

    量子计算机重构未来 | 阅读体验】第二章关键知识

    得出结论所需的时间。Grover算法则在非结构化检索上有突出的效率。作者同样提到了量子计算在人工智能的梯度下降以及矩阵求逆运算上,也能提高效率,但并未深入描述原理。 作者提到了目前量子计算受限的
    发表于 03-06 23:17

    通过构建界面梯度异质结构实现高倍率和长寿命金属阳极

    离子水电池(AZIBs)因其丰富的储量、内在安全、高理论能量密度(820 mAh g-1)和低还原电位(与标准氢电极相比为-0.76 V)而备受关注。
    的头像 发表于 02-28 09:22 925次阅读
    <b class='flag-5'>通过</b>构建<b class='flag-5'>界面</b><b class='flag-5'>梯度</b>异质结构<b class='flag-5'>实现</b>高倍率和长寿命<b class='flag-5'>锌</b>金属阳极

    弱溶剂化少层碳界面实现硬碳负极的高首效和稳定循环

    钠离子电池碳基负极面临着首次库伦效率低和循环稳定性差的问题,目前主流的解决方案是通过调节电解液的溶剂化结构,来调节固体电解质界面(SEI),却忽略了负极-电解液
    的头像 发表于 01-26 09:21 1604次阅读
    弱溶剂化少层碳<b class='flag-5'>界面</b><b class='flag-5'>实现</b>硬碳<b class='flag-5'>负极</b>的高首效和稳定循环

    无机盐中非质子极性溶剂适用原则的深入分析!

    关键的添加剂-电解液相互作用:磷酸三甲酯作为一种绿色、有效、环保的添加剂在水系电池、电容器中被广泛应用于溶剂化结构的调控。
    的头像 发表于 12-27 09:15 1771次阅读
    无机<b class='flag-5'>锌</b>盐中非质子<b class='flag-5'>性</b>极性溶剂适用原则的深入分析!