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葉志鎮(zhèn)院士/黃靖云EnSM：離子抽運與原子錨定協(xié)同實現(xiàn)無枝晶鋅負極

盡管水系鋅離子電池（AZIBs）具有高理論容量、低成本和在大規(guī)模儲能中的固有安全性等優(yōu)勢，但其實際應用一直受到鋅負極枝晶生長和副反應的限制。

在此，浙江大學葉志鎮(zhèn)院士、黃靖云教授及汪洋等人通過將裸露的Zn箔浸入含有四氰基醌二甲烷（TCNQ）的DMF溶液中對Zn原位界面進行蝕刻，從而制備了具有更多Zn（101）平面暴露的TCNQ^2-改性Zn負極（TCNQ@Zn）。

研究表明，裸Zn沉積過程中的隨機擴散很普遍，因此Zn原子在成核過程中會發(fā)生團聚，最終導致Zn枝晶的形成。相反，TCNQ@Zn負極可通過氰基（-CN）與Zn²⁺的有效相互作用重新分配界面Zn²⁺通量，從而降低去溶劑化勢壘以增加暴露（101）平面上Zn原子的成核密度。此外，與Zn（002）相比，TCNQ@Zn（101）對Zn原子有較強的錨定作用，從而可限制Zn原子在（101）面上的二維擴散并促進沿（002）平面的三維擴散。最終形成規(guī)則的近垂直Zn（002）平面陣列，以抑制Zn枝晶的生長。

圖1. 鍍鋅陣列形成誘導機理分析

得益于上述特性，改性TCNQ@Zn負極可在5 mA cm^-2/10 mA cm^-2和1 mAh cm^-2 下循環(huán)超過2000小時，具有穩(wěn)定且較小的電壓滯后和成核過電位。而裸鋅負極在150小時內(nèi)最終出現(xiàn)巨大的電壓波動和短路，這是由于Zn枝晶刺穿了膜。此外，TCNQ@Cu||Zn半電池在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2時可在超過210個循環(huán)中提供高于99.2% 的平均CE，而Cu||Zn電池的CE在35個循環(huán)后由于死Zn和枝晶的連續(xù)形成而遭受劇烈衰減。

重要的是，TCNQ@Zn||α-MnO₂全電池具有優(yōu)異的倍率容量和超過1000次循環(huán)的壽命，容量衰減率僅為0.03%，與裸Zn||α-MnO₂電池的較差性能形成鮮明對比（僅能循環(huán)400次且容量衰減率為0.3%）。總之，這項研究表明離子抽運和原子錨定的協(xié)同效應促進了高性能AZIBs的實現(xiàn)，并為無枝晶鋅負極的設計提供了新的見解。

圖2. TCNQ@Zn||α-MnO₂全電池性能

Ion pumping synergy with atomic anchoring for dendrite-free Zn anodes, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.07.010

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