科研進(jìn)展
蘭州化物所蒙脫石保護(hù)鋅負(fù)極實(shí)現(xiàn)長壽命水系鋅離子電池獲系列進(jìn)展
采用天然礦物調(diào)控電化學(xué)界面獲得長壽命水系鋅離子電池（AZIBs）對于推動AZIBs儲能應(yīng)用具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實(shí)意義。為此，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所資源化學(xué)與能源材料研究中心電化學(xué)儲能研究團(tuán)隊(duì)針對長壽命水系鋅離子電池開展系統(tǒng)性研究。
圖1.蒙脫石保護(hù)鋅陽極機(jī)理。
前期，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北民族大學(xué)光電器件及量子信息研究團(tuán)隊(duì)采用黏土礦物材料表面工程調(diào)控策略，將天然蒙脫石（MMT）作為保護(hù)涂層沉積到鋅箔表面，設(shè)計(jì)構(gòu)筑出MMT@Zn復(fù)合陽極。電化學(xué)研究結(jié)果顯示，MMT@Zn||MMT@Zn對稱電池在0.5 mA cm-2、0.125mAh cm-2條件下循環(huán)壽命超5600小時，在5mA cm-2、1.25mAh cm-2的苛刻條件下仍穩(wěn)定循環(huán)1800小時以上；MMT@Zn||V2O5全電池在2A g-1電流密度下循環(huán)3000次后仍保持穩(wěn)定比容量，同時展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能與抗自放電能力。相關(guān)研究工作以“A surface engineering strategy for the stabilization of zinc metal anodes with montmorillonite layers toward long-life rechargeable aqueous zinc ion batteries”為題發(fā)表在 Journal of Energy Chemistry上（2025,100,94-105,IF=14.90）。
圖2. Zn2+在裸Zn陽極和MDS@Zn陽極上的沉積示意圖。
圖3. (a) MDS的靜電勢（ESP）分布圖。(b) 電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM）測試中，有無MDS層時電鍍過程的質(zhì)量變化圖。(c) 基于電荷轉(zhuǎn)移電阻計(jì)算的裸鋅和MDS@Zn陽極的活化能。(d)、(e)、(f) 分別為Zn2+、H2O和SO42–在裸鋅和MDS陽極（002）晶面上的吸附能圖。(g) 裸鋅陽極和 (h) MDS@Zn陽極在10mA cm–2電流密度下鋅沉積過程的原位光學(xué)顯微鏡圖像。
在上述研究工作基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步拓寬Zn2+的傳輸通道、實(shí)現(xiàn)“親鋅疏水”和Zn（002）晶面沉積的有效調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)通過雙十二烷基二甲基溴化銨（DDAB）插層MMT成功制備出MDS改性黏土礦物材料，并將其均勻涂覆于鋅箔表面構(gòu)筑出MDS@Zn復(fù)合陽極。研究結(jié)果表明，MDS涂層不僅能夠有序引導(dǎo)Zn2+傳輸、促進(jìn)(002)晶面擇優(yōu)沉積，且能有效阻隔電解液與鋅負(fù)極之間的直接接觸，繼而顯著抑制鋅枝晶生長、析氫反應(yīng)及腐蝕副反應(yīng)。DFT計(jì)算證明，MDS對Zn2+、H2O和SO42–表現(xiàn)出更強(qiáng)的吸附能，進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)異的電化學(xué)界面調(diào)控能力。電化學(xué)研究表明，MDS@Zn對稱電池在2mA cm–2和1mAh cm–2條件下可實(shí)現(xiàn)超過3620小時的穩(wěn)定循環(huán)，在5mA cm–2的高電流密度下仍能連續(xù)運(yùn)行3800小時。MDS@Zn||Cu半電池在1mA cm–2和1mAh cm–2條件下循環(huán)3600小時后，平均庫侖效率高達(dá)99.5%。此外，基于MDS@Zn負(fù)極與VO2正極構(gòu)建的全電池在2.5A g–1下經(jīng)歷1300次循環(huán)后，容量保持率仍達(dá)95.5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和應(yīng)用前景。
相關(guān)研究工作以“A Modified Montmorillonite Coating Strategy for Stable Zinc Anodes with Enhanced Ion Transport Kinetics in Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表在Renewables（中國科技期刊卓越行動計(jì)劃高起點(diǎn)新刊，DOI: https://doi.org/10.31635/renewables.025.202500106）上。蘭州化物所為第一完成單位，蘭州化物所和西北民族大學(xué)聯(lián)培碩士生王文博、蘭州化物所王柯碩士研究生為該論文的共同第一作者，蘭州化物所馬鵬軍副研究員、楊兵軍副研究員、張旭助理研究員為共同通訊作者。
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國科學(xué)院西部青年學(xué)者項(xiàng)目、甘肅省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、蘭州市青年科技人才創(chuàng)新項(xiàng)目、蘭州市城關(guān)區(qū)科技計(jì)劃人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項(xiàng)目和蘭州化物所青年科技工作者協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金項(xiàng)目的支持。
