▲ 第一作者：李彦昕/贾宏锋
通讯作者：刘炳求/李鹿/王春刚
单位：东北师范大学
DOI:10.1002/aenm.202301643
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研究背景
在水相锌离子电池蓬勃发展的过程中，因在锌负极表面的锌离子传输动力学慢和不均匀导致的棘手的枝晶的问题，严重制约了锌离子电池的进一步应用。已有的在界面处引入高导电性材料，形成的均匀的表面电场使得锌离子均匀传输。虽然在一定程度上抑制了枝晶，但仍然不能维持锌负极长久的稳定性。由于界面处缓慢的离子传输造成的浓度梯度，对于均匀空间电场的破坏。由此可见，通过加速界面离子传输动力学来解决稳定锌负极问题迫在眉睫。然而，现有的研究仍旧缺乏针对加快锌离子传输动力学调控的适用性材料。
高熵材料（HEOs）由于多种不同电负性的原子形成的电子的消耗和累计，在HEOs表面和内部形成连续变化的电势差，可以促进连续和高速的离子传输。受高熵材料（HEOs）独特的连续变化的电势差导致的连续可调的离子传输能力的启发，设计合成了超小纳米高熵材料（2 nm）作为亲锌位点的具有三维空间结构的缓冲层首次用于锌金属负极改性。相比普通的导电性修饰材料，HEOs独特的内建电场分布加速和均匀锌离子传输动力学，进而实现持久稳定的沉积过程。因此，该负极实现了稳定的循环性能（在1 mA cm-2 3500 h和10 mA cm-2下600 h的循环寿命）。组装的软包和扣式电池也都实现了明显提升的电化学性能。这项工作突破了传统的均匀电场的局限，具有连续变化的内建电场的高熵材料的开发，为稳定锌金属负极提供了一种新的机制。
02
文章简介
近日，来自东北师范大学刘炳求/李鹿/王春刚团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Successive Gradient Internal Electric Field Strategy Toward Dendrite-Free Zinc Metal Anode”的观点文章。这项工作突破了传统的均匀电场的局限，具有连续变化的内建电场的高熵材料的开发，为稳定锌金属负极提供了一种新的机制。
图1 (a) HEO-CNFs合成示意图。(b)理论模拟制备的HEO晶体结构。(c) HEO粉末的XRD Rietveld细化图。(d) HEO-CNFs-1， (e) HEO-CNFs-3和(f) HEO-CNFs-6膜的TEM图像。(g) HEO-CNFs-3的放大HR-TEM图像。(h) HEO-CNFs-3的(i) C、(j) O、(k) Ga、(l) Sn、(m) Y、(n) Al、(O) Zr的TEM图及相应的元素映射图。
图2 (a)裸Zn， (b) HEO- cnfs -1， (c) HEO- cnfs -3， (d) HEO- cnfs -6， (e)涂层HEO的接触角。(f)线性扫描伏安(LSV)曲线。(g)电极在电解液中浸泡5天后的XRD图谱。(h)极化曲线。(i)伏安曲线。
图3 (a)玻璃纤维侧HEO-CNFs-3膜，(b)锌侧HEO-CNFs-3膜，(c) HEO-CNFs-3中锌表面，(d)裸锌不同时间锌沉积的SEM图像。(e) HEO-CNFs-3和(f)裸锌对称电池在5 mA cm-2下不同时间的原位光学显微镜图像。
图4 (a) (b) HEO-CNFs和(c)裸Zn在选定循环时的库仑效率(CE)和电压分布图。300次循环后对称电池中(d)裸Zn和(e) HEO-CNFs的AFM图像。HEO-CNFs和裸锌电池在(f) 1 mA cm-2、(g) 5 mA cm-2和(h) 10 mA cm-2下长期循环。(i)在不同电流密度和面容量下，本工作与以往其他工作的长期循环性能比较。(j) HEO-CNFs和裸Zn的速率性能。
图5 (a) ZrO2和(b) HEO的二维电子密度差。(c) HEO的静电电位。(d) ZrO2和HEO的扩散能垒。(e) HEO和(f) ZrO2的电荷密度差分布。Zn在(g) ZrO2和(h) HEO上的结合能。(i) 1ma cm−2的成核过电位。(j) ZrO2-CNFs和HEO-CNFs的EPR光谱和(k) o1s XPS光谱。(l)裸锌、包覆HEO、ZrO2-CNFs和HEO- cnfs的Zn2+电导率曲线，(m)计时电流(CA)曲线，(n)脱溶步骤Ea。(6) HEO维持锌阳极稳定性的机理。
图6 (a) CV曲线。(b)费率表现。(c)不同电流密度下的GCD分布图。(d, e)长期循环性能。(f) HEO-CNFs/KMO电池的自放电。(g)一幅光学照片，显示一个可弯曲的袋状电池成功地为器具供电。(h)带Zn和HEO-CNFs阳极的袋状电池在1 A g-1下的循环容量。(插图显示了含HEO-CNFs的袋状电池的不同弯曲状态)
03
本文要点
• 首次将超细高熵纳米材料三维缓冲材料应用于锌阳极的改善。
• 高熵材料的梯度内建电场促进了连续和高速的离子传输。
• 具有连续变化的内建电场的高熵材料的开发，为稳定锌金属负极提供了一种新的机制
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通讯作者简介
团队带头人：王春刚，东北师范大学教授，围绕纳米电极材料的开发及其在能源领域和生物方向研究，包括纳米材料的可控制备、结构表征、储能机制分析、电化学性能提升等方面，及器件在水系锌/钾离子电池的应用以及锂/钠/钾离子电池的研究工作。入选教育部新世纪优秀人才支持计划。至今以第一/通讯作者在Angew. Chem.、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Small等国际高水平期刊发表SCI论文百余篇。
李鹿，东北师范大学副教授，以第一/通讯作者在Angew. Chem.、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Small等国际高水平期刊发表SCI论文50余篇.
刘炳求，东北师范大学青年教师，以第一/通讯作者在CCS Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Chem. Sci.、Small、EcoMat、Chem. Eng. J.等国际高水平期刊发表SCI论文10余篇
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202301643
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