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来源：科匠学术
一、研究背景：
可充电的水系锌离子电池是有希望应用于大规模储能系统的下一代新型电池体系。然而，目前商业化锌箔负极还存在着许多尚未解决的问题，比如在长时间充放电后的枝晶生长和结构崩坍等。因此，开发具有均匀锌沉积行为的集流体材料对于提高水系锌离子电池的整体性能具有重大意义。目前有两种强化锌沉积基底材料的主要方法：三维结构设计和亲锌改性，它们分别可以通过调节界面上的电场和离子分布稳定锌负极，如果锌沉积集流体材料具有同时使电场和离子分布均匀化的作用，则可以进一步提高锌负极的性能。
二、文章简介：
基于以上设计思路，中南大学化学化工学院王海燕课题组构建了一种亲锌性氧化铜纳米线修饰的铜网集流体，可同时协调锌成核与生长过程中的电场和离子分布，从而提高锌镀层的均匀性并且能将锌的生长限制在三维框架的内部。该工作发表在Small上。
通过阳极氧化与后续的空气煅烧合成了CM@CuO锌负极集流体，集流体表面生长有均匀分布的CuO纳米线，这种特殊的结构可使锌均匀沉积。
图1. 无枝晶锌负极合成示意图及沉积基底表征。
锌沉积过程的中先下降再上升又下降的非典型的电压曲线表明锌沉积过程与氧化铜还原过程是同时进行的，XPS测试也印证了这一观点。从SEM图可以看出，在CuO纳米线上沉积的是直径仅为500 nm的锌纳米片，并且锌的沉积能够被限制在三维框架内部。相比之下，在普通铜网上生长的则是微米级的锌枝晶。
图2. 锌沉积过程与形貌表征。
在初始沉积过程中，锌首先在吸附在氧化铜表面，然后在锌沉积过程中，氧化铜同时也转化成单质铜，形成的三维铜导电基底继续引导后续的锌生长过程。通过第一性原理计算，也证实了锌与氧化铜更强的相互作用能力。
图3. 锌沉积过程分析与理论计算。
在1 mA cm-2和1 mAh cm-2的充放电条件下，CM@CuO@Zn可以稳定运行超过340个小时，并且极化更低。循环后的电极SEM测试中，CM@CuO@Zn负极表面依旧保持均匀，没有枝晶的生成。
图4. 锌负极电化学性能。
四、总结与展望：本文开发了一种具有均匀锌沉积行为的多级亲锌氧化铜修饰的铜网集流体，通过电化学镀锌后获得无枝晶锌负极。密度泛函理论计算证明了锌和氧化铜之间强烈的相互作用可以促进锌成核过程中的锌离子分布均匀。在锌生长过程中，亲锌性的氧化铜转变为具有高电导率的铜单质，产生的相互交错的三维铜骨架可以进一步调节界面电场，使锌连续且均匀地生长在集流体上，并将锌的沉积与溶解反应限制在纳米线阵列中，使锌负极具有更低的极化和更好的循环稳定性。这种同时调节电场和离子分布以构建三维锌沉积集流体的策略可以为将来开发高性能锌负极提供新的设计思路。五、致谢：
本研究得到了国家自然科学基金（No.21975289、No. U19A2019）、湖南省重点领域研发计划（No. 2019GK2033）和湖南省科技计划项目（No. 2017TP1001、No. 2018RS3009）的资助。Authors: Qi Zhang, Jingyi Luan, Xiaobing Huang, Lin Zhu, Yougen Tang, Xiaobo Ji, Haiyan Wang*
Title: Simultaneously Regulating the Ion Distribution and Electric Field to Achieve Dendrite-free Zn Anode
Published in: Small, doi: 10.1002/smll.202000929.
来源：kejiang_Science 科匠学术
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3MDE0MzQ5MQ==&mid=2247488242&idx=1&sn=dd73a697babb6565194f2ef122d8d789&chksm=fcf2b49ecb853d882b0450196524d1aa16ff3509914d237a5eac7b1f2e187aaa9a45d5f04284&scene=27#wechat_redirect
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