摘要
南开大学化学学院王欢研究员通过利用单原子位点来催化锌成核过程，加快锌在低温条件下的沉积动力学。发现在-30℃条件下铋单原子位点能够降低锌成核势垒，促进锌成核过程，诱导均匀沉积，从而在-30℃实现高可逆性的沉积/剥离和稳定循环。
关于文章
ABOUT ARTICAL
可充电水系锌离子电池因其具有安全无毒、环境友好、储量丰富、价格低廉以及离子电导率高等优点，被认为是极具发展潜力的新一代电池体系。然而，在电化学循环过程中锌枝晶的生长会导致容量衰减，甚至电池失效。尤其在低温条件下，缓慢的动力学行为会导致非活性Zn2+离子的急剧增加，锌枝晶生长更加严重，这将阻碍锌电池在低温环境下的大规模应用。为了解决这些问题，研究者们围绕电解液的优化策略做了大量研究，如构建水/有机混合电解液、高浓度电解液、防冻水凝胶电解质以及富阴离子电解液等。然而，由于低温条件下缓慢的电荷/电子转移导致低温高倍率水系锌离子电池仍然很难实现。因此，如何改善低温条件下电极材料的动力学行为是实现低温高倍率锌金属电池的关键。
基于此，南开大学化学学院王欢研究员从电极结构设计角度出发，通过设计单原子位点来加快锌成核过程，并作为成核位点来改善低温锌沉积动力学行为。发现在-30℃条件下原子级分散的Bi-N4位点不仅可以有效降低锌成核过电位，而且可以加速锌成核过程，提高锌成核密度，促进锌均匀沉积。电化学测试结果表明，在5 mA cm-2条件下，锌在Bi-N4/C电极表面能够实现1600圈的低温可逆沉积/剥离，平均库伦效率高达99.4%；同时，基于单原子位点策略制备的Bi-N4@Zn负极对称电池在5 mA cm-2 和-30℃低温条件下能够稳定循环600圈，基于Bi-N4@Zn负极组装的全电池在-30℃的条件下循环1400次循环后，其容量保持率接近100%。该工作表明单原子位点可调节金属在低温条件下的成核行为，并提高电化学循环稳定性。相关结果发表在ACS Energy Letters （DOI:10.1021/acsenergylett.2c02042）上。
由于最大原子利用率和高活性，单原子材料被广泛的应用于电化学能量储存装置中（包括超级电容器、碱金属二次电池）和催化反应中，然而有关单原子位点作为成核位点来改善低温沉积动力学行为在水系锌离子电池中的应用还没有被报道。基于此，该研究团队首先通过聚合-自组装的方法制备出含铋超分子结构前驱体，然后在高温惰性气体氛围中进行热解，最终得到负载铋单原子的二维纳米片材料，这些纳米片材料具有丰富铋单原子位点。作者发现原子级分散的Bi-N4位点能够降低锌低温成核过电势，加速锌低温成核动力学过程，诱导锌均匀沉积，实现无枝晶生长。电化学测试结果表明，基于单原子位点策略制备的锌负极能够在-30℃实现高可逆性的沉积/剥离和稳定循环。单原子位点调控锌成核动力学策略具有普适性。总之，这项工作为调控无枝晶金属沉积/剥离的成核行为提供了有效指导。
文章信息
Enabling Low-Temperature and High-Rate Zn Metal Batteries by Activating Zn Nucleation with Single-Atomic Sites
Huan Wang*
ACS Energy Letters
DOI：10.1021/acsenergylett.2c02042
先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学）
Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)