新型復合鋅陽極可延長鋅錳水系電池壽命

近日，電子科技大學材料與能源學院教授劉興泉團隊在《德國應用化學國際版》發表研究成果，報道了采用高溫熔融滲鋅和液相還原二步策略，構建一種鋅碳鉍三層高爾夫型復合鋅陽極，并將其用于高性能的鋅/錳水系電池。

鋅-錳水系電池（ZMABs）因其優越的安全性和經濟可行性而備受關注。目前，商業鋅箔是用于ZMABs的主要陽極（負極）材料。然而，由于其較低的利用率和制備過程中固有的復雜性，使其在工業中的實際應用受到了許多的限制。因此，將鋅粉用作ZMABs的陽極材料時，其成本效益、出色的可加工性和可調節的制備手段而備受研究者們和產業界的青睞。

然而，與鋅箔相比，由于鋅粉的比表面積顯著增加，其固態球形實心結構使得鋅陽極更加復雜和難以操作。鋅粉陽極由于長時間的不均勻電鍍/剝離而容易出現不可控的電接觸損失，導致活性物質從電極上分離，從而導致電池極化增加和庫侖效率降低。此外，由于鋅粉陽極的楊氏模量低、離子傳輸阻抗高且在水系電解液中極易腐蝕，在ZMABs的循環過程中不僅容易發生枝晶生長，而且極易發生析氫反應和Zn-Mn在電極上的非均勻沉積。因此，開發穩定耐用的鋅粉陽極對于提高ZMABs的循環性能、安全性能和使用壽命至關重要。

基于此，劉興泉團隊采用高溫熔融滲鋅和液相還原二步策略構建了一種鋅碳鉍三層高爾夫型復合鋅陽極，并將其用于高性能的鋅/錳水系電池。采用該方法不僅增強了鋅陽極的可逆性，顯著抑制了鋅陽極的腐蝕析氫反應，而且還顯著延長了該電池的循環壽命。

由鋅碳鉍三層高爾夫型復合鋅負極與二氧化錳正極組裝的鋅錳全電池實現了超長的循環壽命。在2 A·g^?1的大電流密度條件下，經過16000次循環后，電池的容量保持率仍為94.6%，預期壽命可能達到50000次以上，遠遠超過了使用純鋅粉ZP//CNT@MnO2全電池的循環壽命，該結果達到目前公開報道的國際領先水平。

本研究提出的高溫熔融粉末滲鋅策略及鋅碳鉍復合鋅陽極的合理設計為鋅錳水系電池的應用提供了新的思路，為克服水系鋅錳電池的鋅枝晶和析氫反應兩大痛點提出了新的解決辦法。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202421217