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東華大學(xué)武培怡/焦玉聰團隊 Angew：聚合物添加劑助力高利用率鋅金屬負極
2023-11-07  來源：高分子科技


  鋅基儲能系統(tǒng)由于其固有的安全性、低成本以及鋅金屬負極(高理論容量、低氧化還原電位和豐富儲量)的優(yōu)點，已被認為是電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)的合適候選者。然而，鋅金屬表面寄生副反應(yīng)及枝晶生長嚴重限制了其循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。當進一步應(yīng)用于高鋅利用率、低N/P比和間歇條件等實際場景時，副反應(yīng)影響更加顯著，嚴重阻礙了鋅基儲能系統(tǒng)的商業(yè)化進程。構(gòu)筑穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面是一種有效抑制副反應(yīng)的策略。然而，目前開發(fā)策略過程相對繁瑣，存在添加劑易分解導(dǎo)致副反應(yīng)抑制不足的風(fēng)險。因此，探索簡單有效的方法實現(xiàn)高利用率的鋅金屬負極具有重要意義。


  東華大學(xué)焦玉聰研究員前期圍繞聚合物電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計以提高鋅基儲能系統(tǒng)性能領(lǐng)域開展了一系列工作：基于Hofmeister效應(yīng)在電解質(zhì)內(nèi)構(gòu)筑三元氫鍵，有效調(diào)節(jié)凝膠電解質(zhì)在低溫下的機械性能和電化學(xué)性能（Adv. Mater. 2022, 34, 2110140）；設(shè)計聚合物酸凝膠電解質(zhì)實現(xiàn)正極容量和循環(huán)穩(wěn)定性的同步提高（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060）；設(shè)計磷酰膽堿兩性離子保護層防止水與鋅金屬的直接接觸抑制副反應(yīng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307271）；以及四價Zr4+離子交聯(lián)凝膠電解質(zhì)通過靜電屏蔽效應(yīng)實現(xiàn)無枝晶鋅金屬負極（Energy. Environ. Sci. 2023, 16, 4561-4571）等工作。


  近期，東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院武培怡/焦玉聰團隊通過簡單共聚策略制備含兩性離子的聚合物添加劑（PMCNA）實現(xiàn)鋅金屬負極的高利用率。研究發(fā)現(xiàn)，將N-acryloyl glycinamide （NAGA）與2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine（MPC）共聚，NAGA的酰胺官能團與MPC的帶電基團之間的相互作用可以使PMCNA在Zn負極上具有良好的吸附行為以在循環(huán)過程中原位構(gòu)建均勻穩(wěn)定的保護層。該聚合物保護層可以防止活化的水分子與鋅負極的直接接觸，并調(diào)節(jié)鋅沿002平面成核和沉積，有效消除副反應(yīng)和枝晶；PMCNA組裝的鋅鋅對稱電池在高Zn利用率（DOD: 90%）下可穩(wěn)定運行超過420 h，組裝的Zn//PANI全電池在低N/P比（2.6）和高鋅利用率（51.3%）下仍可保證穩(wěn)定循環(huán)。 


圖1 BE，PMC和PMCNA調(diào)控電解液結(jié)構(gòu)及鋅沉積行為示意圖


  作者通過核磁及理論計算表明，PMCNA會優(yōu)于水參與鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)，調(diào)控雙電層（EDL）以抑制副反應(yīng)。FTIR結(jié)果表明，通過MPC與NAGA共聚，聚合物鏈間相互作用改變，有利于調(diào)控聚合物在鋅金屬表面的吸附行為。SEM測試發(fā)現(xiàn)與BE和PMC相比，PMCNA可以在鋅表面形成更為均勻的保護層。XRD表明即使在PMCNA電解液中浸泡7天，鋅表面也無明顯副產(chǎn)物。XPS及EDLC的計算結(jié)果驗證了PMCNA在鋅表面吸附行為。In-situ EIS測試表明PMCNA在循環(huán)過程中可以在鋅負極表面形成穩(wěn)定的界面層促進鋅離子進一步脫溶和遷移。 


圖2 EDL結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)表征


  作者通過原位光學(xué)顯微鏡測試直觀驗證了PMCNA在鋅沉積過程中對副反應(yīng)的抑制行為。通過對電化學(xué)沉積后鋅表面結(jié)構(gòu)的表征，證明PMCNA可以引導(dǎo)鋅沿002晶面進行沉積。理論計算結(jié)果表明PMCNA與Zn(002)晶面具有高的結(jié)合能，可以誘導(dǎo)鋅在該晶面沉積。作者通過CA、Tafel及LSV測試表明PMCNA可以有效抑制鋅表面HER和OER副反應(yīng)，以防止鋅金屬腐蝕。 


圖3 鋅沉積行為及副反應(yīng)抑制表征


  基于PMCNA組裝的Zn//Cu電池可以實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)（超過1800 h）及高的庫倫效率（99.4%）。組裝的Zn//Zn電池在1 mA cm-2，1 mA h cm-2運行壽命超過4500 h（鋅片厚度：22 μm）。在38.8%及90%高DOD下運行壽命分別超過1000 h和420 h。在間歇甚至擱置10天后，Zn//Zn電池還能穩(wěn)定運行800 h以上，展現(xiàn)出高的實際應(yīng)用潛力。 


圖4 Zn/Zn2+可逆性表征


  得益于PMCNA良好的副反應(yīng)及枝晶抑制能力，基于PMCNA組裝的Zn//PANI全電池和Zn//AC超級電容器展現(xiàn)出超長的循環(huán)壽命。組裝的Zn//PANI電池即使在低N/P比及高鋅利用率下仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)能力，進一步證實PMCNA的實際應(yīng)用潛力。 


圖5 Zn//PANI和Zn//AC性能表征


  以上研究成果近期以“Guiding Zn Uniform Deposition with Polymer Additives for Long-lasting and Highly Utilized Zn Metal Anodes”為題，發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202314456)上。東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生馮豆豆為文章第一作者，焦玉聰研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。


  該研究工作得到了中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和國家自然科學(xué)基金的資助與支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202314456

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（責任編輯：xu）
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