中南大学科研团队在水系锌离子电池锌负极研究领域取得重要进展

2021-07-06 14:40:34

近日,冶金与环境学院周向阳教授研究团队在水系锌离子电池金属锌负极方面开展深入研究取得了一系列重要进展,研究成果发表在国际能源顶级期刊Advanced Functional Materials上。冶金与环境学院2018级博士研究生曹鹏辉为第一作者,杨娟教授、唐晶晶特聘副教授为论文共同通讯作者,相关技术申请了国内发明专利2项。

图1 锌离子电池锌负极中锌磷合金诱导层降低锌离子转移能垒示意图

水系锌离子电池因具备高安全性、低成本、低污染等优异特性而在规模化储能领域具有巨大的发展潜力。然而,目前所采用的锌负极存在枝晶生长与析氢腐蚀等缺陷,严重阻碍了锌离子电池的产业化进程。为了获得高性能的锌负极,该团队利用高效的电沉积方法,在锌表面原位沉积一层锌磷合金诱导层,开发出一种可在超高电流密度下和高容量下稳定循环的复合锌负极,并深入研究了表面合金诱导层对复合负极电化学反应动力学及离子转移动力学的影响机制。该复合负极在对称电池中,可在20mA cm-2的电流密度和30mAh cm-2的面容量(放电深度≈51%)下循环超300小时,在MnO2全电池中,1A g-1的电流密度下循环1000圈后,放电比容量高达154.4 mAh g-1。

此外,团队还设计开发了一种表面涂覆介孔二氧化钛涂层的m-TiO2@Zn复合负极,利用第一性原理计算及电化学分析方法研究了介孔TiO2涂层对负极-电解液界面离子转移动力学的改善及电池电化学性能提高的影响机制。结果发现,介孔TiO2涂层改善了涂层-电解液界面离子转移动力学,且当锌离子在涂层内部转移时,介孔TiO2涂层有着畅通的离子迁移路径,进而提高了整个负极-电解液界面离子转移动力学。相关研究成果发表在材料领域著名期刊《ACS Applied Materials Interfaces》上,周向阳教授为第一作者,博士生曹鹏辉为第二作者,杨娟教授、特聘副教授唐晶晶为论文共同通讯作者。

图2 介孔二氧化钛涂层对负极-电解液界面离子转移动力学影响机制示意图

据悉,团队高性能锌负极的开发课题得到了国家自然科学基金与株洲冶炼集团有限公司的资助。

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