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胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報(bào)道！離子篩涂層實(shí)現(xiàn)無(wú)枝晶金屬鋅負(fù)極

金屬鋅負(fù)極 (MZAs) 上的尖端誘導(dǎo)枝晶從根本上降低了水系鋅金屬電池 (ZMB) 的可充電性。如何以更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)和可擴(kuò)展的方式解決MZA的棘手問(wèn)題并具有更好的可行性，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在此，安徽大學(xué)胡海波教授、吳明在教授等人首次提出了一種由可再生、低成本、環(huán)境友好的3D交織細(xì)菌纖維素組成的有趣離子篩（IS），通過(guò)原位自組裝途徑沉積在MZA（Zn@IS）表面，可有效抑制 MZA 上的枝晶生長(zhǎng)。

詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)表征及分子動(dòng)力學(xué)/DFT計(jì)算證明，與配位水相比，IS與Zn²⁺的相互作用更強(qiáng)，從而打破了水合Zn²⁺的溶劑化平衡，促進(jìn)了[Zn(H₂O)₆]²⁺的去溶劑化。同時(shí)，由于涂層排斥大量的配位水，MZAs與電解液之間的界面自由水較少，有效削弱了析氫副反應(yīng)。此外，具有豐富納米孔作為離子通道的IS涂層可使Zn²⁺離子通量均勻化，有助于Zn均勻沉積。

圖1. IS涂層的原位自組裝策略示意圖及表征

正如預(yù)期的那樣，與原始Zn||Zn對(duì)稱(chēng)電池（僅300 h過(guò)電位就從127.2迅速增大到376.8 mV）相比，Zn@IS||Zn@IS電池在3000 h（0.25mAh cm^-2）下具有更出色的電鍍和剝離穩(wěn)定性，觀察到的過(guò)電位僅略有增加（從73.5增加到78.1mV）。

隨后，與進(jìn)一步設(shè)計(jì)的碳納米管（CNT）@MnO₂正極配對(duì)，得到的全ZMB的循環(huán)性能（0.5 A g^-1下循環(huán)3000次后容量保持率為73.3%）遠(yuǎn)優(yōu)于基于原始MZA的電池（僅為21%），驗(yàn)證了Zn@IS負(fù)極作為原始MZA的替代電極以提高ZMB的可充電性能的可行性。該研究提供了一種簡(jiǎn)單但高效的保護(hù)協(xié)議以加強(qiáng)MZA 的電化學(xué)可逆性，從而縮小ZMB可充電性的現(xiàn)實(shí)與商業(yè)需求之間的差距。

圖2. 基于原始Zn和Zn@IS負(fù)極的ZMB性能對(duì)比

Ion Sieve: Tailoring Zn²⁺ Desolvation Kinetics and Flux toward Dendrite-Free Metallic Zinc Anodes, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c08638

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