近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、张冬教授、姜珩教授与中国科学院长春应用化学研究所王颖研究员在水系锌离子电池研究方面取得新进展，相关成果以“Concentration-Driven Interfacial Amorphization toward Highly Stable and High-Rate Zn Metal Batteries”为题发表于《Nano Letters》。
水系锌离子电池因其成本效益高、内在安全性好、电化学性能优异，在新兴二次电池中备受关注。然而在充放电过程中，特别是在实际工况中，即高电流密度、大容量的情况下，金属锌负极会面临着严重的枝晶生长和副反应等问题，阻碍了水系锌离子电池的应用。目前，金属锌的界面修饰往往使用晶态材料，这些具备各向异性的高结晶性材料具有较大的Zn2+迁移势垒，并且内部晶界也会诱导枝晶的定向生长，使锌金属电池面临内部短路的威胁，具备安全隐患。除此之外，现有的加工方式往往忽略了加工均一性、加工经济性和加工扩展性等在实际生产中面临的问题，使得水系锌离子电池的商业化进程严重受阻。
针对上述问题，研究团队创造性地提出了一种浓度驱动的晶相转变机制，开发出了一种非晶氧化锌涂层保护金属锌负极的高效策略。该策略通过调控合成过程中的氢氧化钠溶液的浓度，完成了氧化锌从成核到生长的形核半径调控，实现了氧化锌从晶态到非晶态转变。此外利用该方法，可以实现分钟内的米级金属锌界面修饰。基于ISO 5479: 1997国际标准，在多次验证性实验中，涂层的物理特性与电化学性能的一致性优异，在未来的商业化进程中具备较大潜力。通过该策略制备的具有非晶氧化锌修饰的金属锌负极能实现在100 mA cm-2的超高电流密度下稳定循环1000圈，处于世界领先水平。并且为了验证可规模化生产的优势，组装了5层叠片结构的水系锌离子软包电池。该电池在100圈的循环后，具备91%的容量保持率，表明该策略在实际应用中具有较强潜力，可有力地推动了水系锌离子电池的商业化进程。
图：浓度驱动的非晶转变机制
文章第一作者为吉林大学物理学院博士研究生卢文强。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、张冬教授、姜珩教授，长春应化所王颖研究员。该工作得到了国家自然科学基金委等项目的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04806
