河工大《AFM》：一种简单有效的锌金属电极酸蚀改性方法！

来自河北工业大学等单位的学者通过一种简单的酸蚀方法对(002)_Zn面裸露的Zn表面进行改性，原位生成的锌化合物在锌电极上形成了一个界面层，具有很强的粘附性，可以增强锌离子的动力学，从而调节锌电极的沉积/溶解行为。本文选择了多种具有功能性阳离子的酸，其中磷酸对锌的蚀刻具有更高的织构程度，并产生更致密的层。所制得的磷酸锌电极在对称型和全锌金属电池中具有稳定的循环性能和快速的动力学性能。本研究为高性能水基金属锌阳极的表面和界面联合改性提供了一个新的实例。相关文章以“Stable Zinc Metal Anodes with Textured Crystal Faces and Functional Zinc Compound Coatings”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202106114

图1.a，b)用锌化合物涂层制备织构锌电极的晶面选择性腐蚀示意图。c)裸锌和经植酸(PZ@Zn)、柠檬酸(CZ@Zn)和草酸(OZ@Zn)处理的锌箔的XRD图谱。d)经磷酸处理1、2、4min的锌箔的XRD图谱。e)裸锌和锌化合物@Zn样品的I(002)/I(100)比值。f-j)磷酸锌@Zn、植酸锌@Zn、柠檬酸锌@Zn和草酸锌@Zn的扫描电镜图像和示意图。

图2.a)PPZ@Zn的XPS光谱和b)EDS映射。c，d)TEM图像，e)STEM-HAADF和相应的元素映射，以及f)从PPZ@Zn刮下的物种的能量色散X射线谱。g)TEM图像，h)STEM-HAADF和相应的元素映射，以及i)从PZ@Zn中刮下的颗粒的能量色散X射线谱。j)锌-不饱和络合物在锌箔上形成过程的示意图。

图3.a)裸锌和PPZ@Zn的接触角原位测量。b)不同电极与电解质的接触角。c)锌电极和PPZ@Zn电极对称电池的Tafel曲线。d)裸锌和锌化合物@Zn样品的交换电流密度。e)裸锌箔和PPZ@Zn箔在电解液中浸泡4d后的SEM图像和f)XRD图谱。

图4.10 mA cm⁻²电镀过程中a)裸Zn和b)PPZ@Zn电极的Operando光学显微镜图像.c)在1mA cm⁻²面积电容为1 mAh cm⁻²下，裸Zn和锌化合物@Zn电极在对称电池中电镀/剥离锌的循环性能.d)在裸锌和PPZ@Zn电极上1 mAcm⁻²下锌成核过程中的电压-时间曲线。E)裸锌电极和锌复合电极的成核过电位。f)裸Zn和g)PPZ@Zn在1 mA cm⁻²、面积容量为1mAh cm⁻²的50次循环后的扫描电镜图像。h)对称的裸Zn和PPZ@Zn电池在1 mA cm⁻²、面积容量为0.5mAh cm⁻²的长期循环性能。

图5.a)充放电特性和b)LFP/C||PPZ@Zn和LFP/C||Zn全电池的循环性能。c)充放电性能和d)碳纳米管/MnO₂||PPZ@Zn和CNT/MnO₂||Zn电池在0.1Ag⁻¹下的循环性能。

综上所述，本文提出了一种简单有效的锌金属电极酸蚀改性方法，即在锌电极表面设置更多(002)择优锌晶面，并在其表面覆盖一层锌化合物界面层。所制得的锌化合物@Zn阳极具有以下优点：1)选择性暴露的(002)_Zn面保证了较好的耐蚀性和较少的树枝状沉积；2)多孔和锌不饱和的锌化合物具有良好的锌密封性，可以提高锌离子的动力学，调节锌的沉积/溶解行为。结果表明，锌化合物@Zn电极比裸锌电极具有更好的电化学性能。其中，织构程度高、镀层致密的磷酸锌电极在1mA cm⁻²的电流密度下，可进行3000h以上的反复剥锌/电镀。此外，LiFePO₄/C||PPZ@Zn混合电池具有155mAh g⁻¹的容量。组装后的碳纳米管/MnO₂||PPZ@Zn全电池在1A g⁻¹循环1250次后容量稳定在2 13 mAh g⁻¹。（文：SSC）