文章摘要
无锌阳极按捺锌枝晶构成和调理高容量锌电池的研究备受推崇，但也极具挑战性。在此，中国科学手艺大学陈维传授团队设想了一个稳健的二维锑/锑锌合金异量构造界面来调理锌的电镀。得益于Sb/Sb2Zn3异量构造界面在Zn电镀过程中具有较强的吸拥护平均的电场散布，Zn阳极具有200 mAh cm-2的超高面积容量，过电位为112 mV，库仑效率为98.5%。利用Sb/Sb2Zn3异量构造界面@Cu阳极的无阳极Zn-Br2电池显示出具有吸引力的能量密度为274 Wh kg-1，软包电池能量密度为62 Wh kg-1。放大Zn-Br2电池在500 mAh的容量下表示出超越400个不变轮回。此外，能量为9 Wh (6 V, 1.5 Ah)的Zn-Br2电池模块与光伏板集成，以展现适用的可再生能源存储才能。本文卓越的无阳极锌电池通过异量构造界面实现，为大规模储能应用开拓了舞台。
图文速递
图1：无阳极锌电堆积机理研究
a Zn和Sb/Sb2Zn3-HI@Cu基底上Zn电堆积示企图(HI为异量构造界面)。b Zn电堆积在Zn、Cu和Sb@Cu基底上的成核势垒，在2 M ZnBr2中电荷电流密度为3 mA cm-2。c 差别容量下Zn在Sb@Cu上电堆积和溶出的XRD图谱。d 差别容量的Sb@Cu基体上镀锌Zn 2p的XPS谱。e Sb2Zn3-HI@Cu阳极的HRTEM图像。f Sb2Zn3-HI@Cu阳极中Zn和Sb的EDS映射。HRTEM和EDS丈量样品是通过在Sb@Cu衬底上镀0.2 mAh Zn造备的。图1b所示的恒流电堆积是在室温(25℃)下停止的。
图2：DFT计算和COMSOL模仿
a Zn原子在Zn(100)和Sb(104)晶面上的吸附能。b Zn(100)和c Sb(104)电荷密度差的理论计算模子。d 模仿Zn基板上镀锌的电流密度散布。e 模仿Sb/Sb2Zn3-HI@Cu基板上镀锌的电流密度散布。模仿过程在室温(25℃)下停止。
图3：差别容量Zn和Sb@Cu基底上Zn电堆积的微不雅构造
Zn电堆积在Zn基板上，面积容量为a 1 mAh cm-2,b 10 mAh cm-2,c 50 mAh cm-2。Zn电堆积在Sb@Cu基板上，面积容量为d 1 mAh cm-2,e 10 mAh cm-2,f 50 mAh cm-2。g 容量为10 mAh cm-2时的Sb@Cu上Zn电堆积的截面SEM图像和响应的EDS映射图。
图4：Zn|Zn和Zn|Sb@Cu半电池的电化学性能
a 在面积容量为10 mAh cm-2和电流密度为20 mA cm-2的前提下测试的半电池的轮回性能，此中不合错误称Zn|Sb@Cu电池被设置为0.5 V vs. Zn2+/Zn的截行电压。b 差别周期电压与容量曲线。c Zn|Sb@Cu半电池在面庞量为10 mAh cm-2，电流密度为10至200 mA cm-2时的速度容量，此中截行电压设置为1-16 C时0.5 V vs. Zn2+/Zn, 20 C时0.8 V vs. Zn2+/Zn。d 在面积容量为10 mAh cm-2，电流密度为20 mA cm-2的半电池中轮回50次后Zn和Sb@Cu基板的SEM图像。e Zn|Sb@Cu半电池的轮回性能，其面庞量为50 mAh cm-2，电流密度为50 mA cm-2，截行电压为0.5 V vs. Zn2+/Zn。电化学丈量在室温(25℃)下停止。
图5：面积容量为10 mAh cm-2时无阳极Zn-Br2电池的电化学性能
a 无阳极Zn-Br2电池示企图。b 电流密度范畴为10 ~ 100 mA cm-2时的速度容量。c 电流密度为10 ~ 80 mA cm-2时的放电曲线。d 在10 mAh cm-2和10 mA cm-2下的持久轮回性能。在室温(25℃)、电池放电截行电压为0.5 V的前提下，对Zn-Br2电池停止了电化学丈量。
图6：Zn在Sb@Cu基板上超高容量电堆积的电化学性能
a 恒流密度为20 mA cm-2，截行电压为0.5 V vs. Zn2+/Zn时Zn|Sb@Cu半电池在差别容量下的充放电曲线。b 关于镀锌/剥锌用无锌电极的面积容量、电流密度和累积容量的总结。c 面积容量为200 mAh cm-2的Zn和Sb@Cu基板上镀锌的照片。d 不合错误称无阳极Zn-Br2电池阴极和阳极的照片，此中电池有一个碳毡阴极为20 cm2, Sb@Cu阳极为1 cm2(CF代表碳毡)。e 放电曲线。f 轮回性能。非对称无阳极Zn-Br2电池充电1.9 V ~ 200 mAh，放电20 mA~ 0.5 V。在室温(25℃)下对半电池和Zn-Br2电池停止电化学丈量。
图7：放大Zn-Br2电池的现实储能应用
a 放大Zn-Br2电池构造示企图。b 组拆电池的照片。c 容量为500 mAh的放大电池的轮回性能。电池起首以250 mA到1.95 V充电，然后以1.95 V到500 mAh充电，最初以250 mA到0.5 V放电。d 差别毗连体例电池的放电曲线。单个电池起首以300 mA到2 V充电，然后以2 V到1500 mAh充电，最初以200 mA放电到指定电压。e 太阳能电池储能系统日夜运行。演示的太阳能储能系统以Zn-Br2电池模组为储能安装(4节Zn-Br2电池串接，电压为~ 6v，容量为1500 mAh)，光伏电池面板为电源(额定功率为9W)， LED显示屏(额定功率为10W)为电负载。在室温(25℃)下对放大Zn-Br2电池停止了电化学丈量。
研究结论
本文开发了一种金属/金属合金异量构造界面来调理Zn成核和不变Zn生长，从而实现了200 mAh cm-2超高容量的无枝晶镀锌/剥锌。得益于无锌阳极设想，Zn-Br2全电池实现了约274 Wh kg-1的有合作力的能量密度和62 Wh kg-1的适用软包电池的能量密度，那反映了其做为储能设备的潜力。此外，它能够轮回800次以上而没有容量衰减，500 mAh容量的放大电池也表示出超越400次的不变轮回。该电池模块的能量为9 Wh (6 V, 1.5 Ah)，利用放大的1.5 Ah Zn-Br2电池胜利组拆，该电池模块能够与可再生能源集成，放电电压为~6 V，为LED显示屏供电。做者相信，由金属/金属合金异量构造界面设想的无阳极电池将为其将来的储能应用带来一场革命。
文献链接
Constructing robust heterostructured interface for anode-free zinc batteries with ultrahigh capacities
Xinhua Zheng，Zaichun Liu，Jifei Sun，Ruihao Luo，Kui Xu，Mingyu Si，Ju Kang，Yuan Yuan，Shuang Liu，Touqeer Ahmad，Taoli Jiang，Na Chen，Mingming Wang，Yan Xu，Mingyan Chuai，Zhengxin Zhu，Qia PEng，Yahan Meng，Kai Zhang，Weiping Wang，Wei Chen*
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35630-6
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