Nano Res.[能源]│麦立强教授课题组：高稳定性锌负极Ni-Zn合金固体电解质界面动态重构
背景
水系锌离子电池（AZIBs）是理想的大规模电池存储材料，具有较高的理论比容量、环境友好和极低的成本。然而，不稳定的锌/电解质界面带来了一些主要问题：1）锌沉积不均匀导致充放电过程中枝晶生长；2）电解质中产生的氢气使电池内部的过电压升高，降低电池的稳定性和安全性；3）循环过程中锌负极的腐蚀反应导致锌离子的消耗和不溶性副产物的形成，增加了电池的功率内阻。这些缺点导致循环过程中锌负极的结构不稳定，限制了电池的循环寿命和库仑效率。因此，需要进行大量的研究工作来改进锌负极，以抑制锌电极的不稳定性。
简介
镍锌（Ni-Zn）合金是一种优异的耐腐蚀涂层，其氢脆性低、耐腐蚀性高、稳定性好、加工性能好等特点优于裸锌（B-Zn）。由于Ni和Zn的结合能较高（-2.09 eV），Ni-Zn合金箔可以调控锌的均匀成核，从而有效实现稳定的锌沉积。本文中的Ni-Zn合金是通过电沉积和退火工艺人工构建的具有固体电解质界面（SEI）性能的锌电极。镍层和镍锌合金层共同作为人工固体电解质界面（SEI）层。在电极剥离过程中，镍锌合金层在电极/电解质界面起动态屏障作用，锌剥离过程中锌原子迁移出锌电极体，电镀过程中又迁移回锌电极体。这样，锌原子在Ni-Zn合金SEI上的动态迁移机制使得Ni-Zn合金不仅能够有效控制锌离子的均匀沉积，而且能够减缓锌电极的腐蚀。因此，Ni-Zn合金可以引导锌在水平方向沉积，从而抑制枝晶的形成。受益于这些，Ni-Zn合金对称电池的循环寿命大大提高，在0.5 mA cm-2电流密度下可以稳定工作1900 h。因此，基于Ni-Zn合金负极的AZIBs为锌电极的制备提供了一种新的解决方案，对延长储能装置的寿命具有很大的应用潜力。
图文导览
图1 (a) Ni-Zn合金制备工艺示意图及机理模拟。(b) B-Zn的SEM图像。(c) Ni@Zn的SEM图像。(d) Ni-Zn合金的SEM图像。(e) Ni-Zn合金的横截面SEM图像。(f) B-Zn、Ni@Zn和Ni-Zn合金的XRD图像。(g)镍锌合金的XPS图像。(h) Ni-Zn合金中镍的XPS图像。
图 2 (a) 电流密度为 10 mA cm-2 时，对 Ni-Zn 合金进行 20 分钟的原位光学观察。(b) 电流密度为 10 mA cm-2 时，对 B-Zn 进行 20 分钟的原位光学观察。(c) B-Zn 和 Ni-Zn 合金的接触角。(d) 初始状态下的 B-Zn 和 Ni-Zn 合金的光学图像。(e) 在 2 M ZnSO4 电解液中浸泡 10 天后的 B-Zn 和 Ni-Zn 合金的光学图像。(f) 在 2 M ZnSO4 电解液中浸泡 10 天后的 B-Zn 和 (g) Ni-Zn 合金的 SEM 图像。(h) B-Zn 和 Ni-Zn 合金的线性腐蚀曲线。
图 3 (a, b) 不同电流密度和容量下 Ni-Zn 合金与 B-Zn 在对称电池中的循环稳定性，插图为详细的电压曲线。(c) Ni-Zn 合金与 B-Zn 在 1 mAh cm-2 对称电池中的倍率性能。(d) 2 mA cm-2、1 mAh cm-2 下 Cu||Zn 和 Cu||Ni-Zn 合金电池的首次循环曲线。(e) 0.5 mA cm-2、0.5 mAh cm-2 下循环 100 小时后 Ni-Zn 合金与 B-Zn 的 XRD。(f) B-Zn 和（g）Ni-Zn 合金在充电和放电过程中的示意图。(h) 0.5 mA cm-2 下循环 100 小时后 Ni-Zn 合金和（i）B-Zn 的 SEM 图像。
图4 优化前后结构对比及界面处锌的迁移行为（a）Ni--，（b）Zn--，（c）Zn--Ni和（d）Ni中锌原子的迁移。
图5 (a) Ni-Zn合金//MnO2和B-Zn//MnO2的CV曲线。(b) Ni-Zn合金//MnO2和B-Zn//MnO2的EIS图。(c) Ni-Zn合金//MnO2和B-Zn//MnO2第10次循环的充放电曲线。(d) Ni-Zn合金//MnO2和B-Zn//MnO2的倍率性能。(e) Ni-Zn合金//MnO2和B-Zn//MnO2在3.25 C下的循环稳定性。
关于作者
通讯作者简介：
麦立强教授，武汉理工大学材料学首席教授、博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米技术”重点项目总体专家组成员，“十四五”材料领域重点项目指南编制专家。2004年获武汉理工大学工学博士学位，后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者工作。 2014年获得国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授、国家“万人计划”领军人才。
主要研究方向为纳米储能材料与器件，搭建了国际上首个单纳米线全固态储能器件，创建了材料电化学过程普适性原位表征新模型，牵头实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备与应用。在《》杂志（1篇）、《Cell》子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获得国家发明专利授权100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议上作大会报告、主旨报告、特别报告70余次，作为会议主席组织举办能源材料大会、第十届中美华人纳米论坛等10余次重要国际会议。主持/承担国家重点研发计划“变革性技术的关键科学问题”重点项目、国家杰出青年基金、国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家科研项目30余项。曾获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科技创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学奖一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学奖一等奖（第一完成人）、侯德榜化学科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术会议杰出研究奖，并入选“国家十万人才项目计划”和荣获“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现担任国际期刊《Joule》、《ACS》、《Small》等杂志副主编、客座编辑、学科编辑、学术编辑、国际编委以及《Nano》、《China》、《 》等杂志编委。
张磊，硕士生导师，工学博士，2020年8月入职武汉理工大学理学院物理系。申请人在纳米电极材料构筑、多价离子电池设计等领域，在ACS、ACS Nano、ACS Nano等国际知名期刊发表SCI论文30余篇。其中作为第一作者/通讯作者发表论文11篇，总引用量超过2000次，1篇论文入选ESI前0.1%热门论文，H因子22，获授权国家专利发明5项。目前负责国家自然科学基金青年基金1项、国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”子项目1项、海南省科技计划三亚崖州湾科技城自然科学基金联合项目1项。
课题组简介：
武汉理工大学纳米技术重点实验室主要从事纳米能源材料与器件研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队现有教师11人，其中长江学者、杰青、国家领军人才、国家高层次青年人才5人，博士、硕士生80余人。中国科学院院士赵东元教授担任研究团队学术顾问，为研究团队的发展提供重要指导和帮助。
该团队长期致力于储能技术研究，设计并组装出国际上首个单纳米线器件，实现了单纳米元件从0到1的突破，发现了电子/离子双连续效应和分级协同效应。近年来，团队主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点项目、国家杰出青年基金、国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等30余项国家级科研项目。研究团队已发表SCI论文400余篇，其中第一或通讯作者10篇，子刊9篇，合作发表于、、、、7个子刊Cell等10篇。以第一或通讯作者在影响因子10.0以上期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇；获得国家发明专利140余项；获得国家自然科学奖二等奖（2019年）、教育部自然科学奖一等奖（2018年）、湖北省自然科学奖一等奖（2014年、2021年）各1项。团队负责人麦立强教授曾获何梁何利基金科技青年创新奖（2020年）、国际电化学能源大会杰出研究奖（2018年，每年仅2人）等，获得国家杰出青年科学家资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年）、英国皇家化学会会士（2018年）、科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021年）；担任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米技术专家组成员、国家“十四五”材料领域重点项目指导原则编制专家。他是“国家十万人计划”入选者，荣获“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议上作特邀报告70余次；作为会议主席主持能源材料大会、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。
团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工学院、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、美国太平洋西北国家实验室、美国阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构深造，10余名学生在英国国家物理实验室、英国萨里大学、加拿大滑铁卢大学、厦门大学等国内外知名高校和科研机构担任教授或助理教授。团队已发展成为国内外纳米科学技术、新能源材料技术领域具有重要影响力的科学研究、国际合作和人才培养基地。
欢迎对新能源纳米材料与器件感兴趣的朋友加入我们课题组！特别欢迎有科研兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动、愿意在国内外继续深造的学生来课题组攻读博士后、博士、硕士学位。也欢迎国内外专家、学者或学生前来访问、交流、合作！
研究小组网站：
文章資訊
张倩，戴燕，赵凯等。Ni-Zn合金固体作为Zn负极的研究。纳米，2022，