中南大学梁叔全-周江团队连续在Nature Communications发表锌金属负极新成果
发布时间：2024-03-29 作者： 来源： 浏览次数：
综合安全、成本和环保等因素，水系锌二次电池将成为下一代大规模储能和为可穿戴/可植入电子器件供能的重要候选者。但锌金属负极仍面临着枝晶生长、腐蚀副反应等电化学稳定性差难题，严重影响了水系锌二次电池的电化学性能和寿命。近期，为了解决锌负极面临的问题，我校材料学院梁叔全-周江团队提出体相锌合金和锌金属织构调控改性策略，有效抑制锌枝晶生长和副反应，成果先后发表在国际顶级期刊Nature Communications上。中南大学为上述成果的第一署名单位和唯一通讯单位。
在体相合金策略方面，该团队结合二元合金相图，采用“熔炼-轧制”法合成了一种锌钛双相合金，并证实了含钛金属间化合物TiZn16在晶界处择优分布。深入探究了锌金属负极的腐蚀起源，证实了腐蚀反应主要沿晶界发生，并发现TiZn16热力学稳定在晶界处有助于抑制晶间腐蚀，降低了形核阶段的能量势垒，促进其颗粒状的均质沉积，同时丰富的锌核与界面电场相互作用引导了均匀的锌沉积，并证实了锌钛合金上混合的三维瞬时与渐进的形核生长模式。该锌钛合金负极能够稳定循环4000次，平均库仑效率高达99.85%，将该合金负极与钒酸铵正极组装的多层软包电池，经过500次循环后，容量保持率达85%。论文题目为：Tailoring grain boundary stability of zinc-titanium alloy for long-lasting aqueous zinc batteries。
在锌金属织构调控方面，该团队深入研究了Zn(0002)金属负极织构调控的核心标准和其原子级的外延生长机制。该工作发现，只要在具有（0002）织构的锌金属负极中存在少量偏离[0001]取向的晶粒就会导致其外延机制的失效。因此，该团队提出并设计了一种[0001]单轴定向的锌金属负极，具有单一的Zn(0002)织构，能够从根本上消除外延界面的晶格失配度。即使在深度放电和高比容量下，在其表面沉积的锌表现出超持续的外延生长模式和较低的内应力。借助高角度暗场扫描透射电子显微镜技术，该团队观察到锌原子在具有单一Zn(0002)织构的锌金属负极表面按照“~ABABAB~”的排列次序逐层生长。作为验证，Zn(0002)金属负极表现出优异的电化学性能，组装的Zn//NH4V4O10软包电池循环450次后容量为220 mAh g-1，容量保持率为80%。该研究强调了制备仅具有单一（0002）织构锌金属负极的重要性，并为其他高可逆金属电极的制备提供了新的思路和理论指导。论文题目为：Single [0001]-oriented zinc metal anode enables sustainable zinc batteries。
近5年，该团队在国家级青年人才项目、国家自然科学基金重点、面上、青年项目、湖南省“杰青”、湖湘青年英才等项目的持续支持下，在锌二次电池领域取得了系列重要研究成果，3篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”，先后入选ESI高被引论文90余篇，热点论文30余篇，其中2018年受邀发表在ACS Energy Letters的综述（DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01426），是该期刊历史引用第一名，已被引1500余次，有力推进了材料“双一流”学科的发展。