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中南大學科研團隊在水系鋅離子電池鋅負極研究領域取得重要進展
2021-03-02 09:10
中南大學
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  近日,冶金與環境學院周向陽教授研究團隊在水系鋅離子電池金屬鋅負極方面開展深入研究取得了一系列重要進展,研究成果發表在國際能源頂級期刊 Advanced Functional Materials 上。冶金與環境學院2018級博士研究生曹鵬輝為第一作者,楊娟教授、唐晶晶特聘副教授為論文共同通訊作者,相關技術申請了國內發明專利2項。

圖1 鋅離子電池鋅負極中鋅磷合金誘導層降低鋅離子轉移能壘示意圖

  水系鋅離子電池因具備高安全性、低成本、低污染等優異特性而在規模化儲能領域具有巨大的發展潛力。然而,目前所採用的鋅負極存在枝晶生長與析氫腐蝕等缺陷,嚴重阻礙了鋅離子電池的產業化進程。為了獲得高性能的鋅負極,該團隊利用高效的電沉積方法,在鋅表面原位沉積一層鋅磷合金誘導層,開發出一種可在超高電流密度下和高容量下穩定循環的複合鋅負極,並深入研究了表面合金誘導層對複合負極電化學反應動力學及離子轉移動力學的影響機制。該複合負極在對稱電池中,可在20mA cm-2的電流密度和30mAh cm-2的面容量(放電深度≈51%)下循環超300小時,在MnO2全電池中,1A g-1的電流密度下循環1000圈後,放電比容量高達154.4 mAh g-1。

  此外,團隊還設計開發了一種表面塗覆介孔二氧化鈦塗層的m-TiO2@Zn複合負極,利用第一性原理計算及電化學分析方法研究了介孔TiO2塗層對負極-電解液界面離子轉移動力學的改善及電池電化學性能提高的影響機制。結果發現,介孔TiO2塗層改善了塗層-電解液界面離子轉移動力學,且當鋅離子在塗層內部轉移時,介孔TiO2塗層有着暢通的離子遷移路徑,進而提高了整個負極-電解液界面離子轉移動力學。相關研究成果發表在材料領域著名期刊《ACS Applied Materials Interfaces》上,周向陽教授為第一作者,博士生曹鵬輝為第二作者,楊娟教授、特聘副教授唐晶晶為論文共同通訊作者。

圖2 介孔二氧化鈦塗層對負極-電解液界面離子轉移動力學影響機制示意圖

  據悉,團隊高性能鋅負極的開發課題得到了國家自然科學基金與株洲冶煉集團有限公司的資助。

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