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Angew. Chem. :一体化原位磷酸锌界面助力高可逆性长循环的锌金属电池2023-02-14
锌金属电池(ZMB)是一种很有前景的下一代储能技术,但锌阳极的枝晶和腐蚀等问题限制了其实际应用。在锌金属电极上构建原位固体电解质间相 (SEI)被认为是一种非常有效的抑制锌枝晶和腐蚀的策略。

理想的SEI是电子绝缘的,具有高离子导电性,表现出自钝化行为,抗溶解性以及高稳定性。基于此目标,近日,澳大利亚阿德莱德大学的郭再萍教授,刘赛琳博士和毛建锋博士发现了一种通过高偶极矩(dipole moment=3.6 D)溶剂甲基膦酸二甲酯(DMMP)进行可控电解的方法调控生成一体化的SEI,基于DMMP的电解质可以生成均匀而坚固的磷酸盐SEI (成分为Zn3(PO4)2和ZnP2O6)。

 

 

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图1. 有机溶剂的物理性质(介电常数以及分子偶极矩)及锌金属电极在不同有机电解质中的电化学性能。

受益于这种原位一体化SEI的保护作用,锌电极在Zn|Zn和Zn|Cu电池中分别表现出4700 h的长期循环和99.89%的高库仑效率。采用DMMP-H2O (3:2)混合电解质的V2O5|Zn全电池在5 A g-1的条件下,经过4000次循环,其容量保持率高达82.2%。

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图 2. 自0.5 M-Zn(OTf)2-DMMP-H2O混合电解质中生成的SEI成分表征。

此外,实验研究发现,在SEI标记区域中存在结晶相偏磷酸锌(ZnP2O6)和磷酸锌(Zn3(PO4)2),非晶态区可能是两种磷酸锌的混合物。这种均相结晶和非晶态相的结合对锌金属基体具有良好的附着, 同时具有良好的电子绝缘性和导锌离子能力,是一种非常理想的SEI成分。

本工作表明,具有高偶极矩的磷酸盐溶剂可用于设计整体SEI,以提高长期循环稳定性。这种高偶极矩溶剂策略,可以轻易稳定锌阳极,将所需的电解质成分吸附至电极表面,以促进氧化还原反应,并产生均匀的磷酸盐转化层。此电解液方法的成功将为原位SEI保护层的设计开辟新的道路。

文信息

Monolithic Phosphate Interphase for Highly Reversible and Stable Zn Metal Anode

Dr. Sailin Liu, Dr. Jitraporn (Pimm) Vongsvivut, Yanyan Wang, Ruizhi Zhang, Dr. Fuhua Yang, Dr. Shilin Zhang, Prof. Kenneth Davey, Dr. Jianfeng Mao, Prof. Zaiping Guo

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215600