研究摘要
锌负极得益于较高的理论容量（820 mAh g-1）、环境友好性与良好的安全性是锌基电池值得研究的方向之一，但不可控的枝晶生长极大地限制了其实际的应用。近日，北京航空航天大学杨树斌教授研究团队在《Advanced Energy Materials》发表最新研究成果，报道了一种特殊的非模量液态GaIn电极，用于研究Zn负极的失效机理，证明了在Zn电镀的过程中存在较大的晶格应力，从而导致Zn枝晶的快速生长。为了解决这一问题，设计制备了一种在柔性MXene层上富含Zn的液态金属负极（ZnGaIn），可以有效的释放在Zn负极电镀时的应力。与此同时，由于Zn基液态金属的存在，Zn的成核能垒得到减小，成核超电势减小到0V。因此，所制备的柔性Zn基负极可以表现出较长的循环寿命与高倍率性能。与MnO2电极匹配所制备的ZnGaIn//MXene全电池器件表现处优异的稳定性与长循环寿命，为下一代锌基电池的发展提供了新的思路。
图文导读
图1. ZnGaIn//MXene与Zn箔负极的锌沉积机理：相比于后者，前者可以有效地缓解由Zn电镀诱导产生的应力，从而限制Zn枝晶的生长。
图2. ZnGaIn//MXene负极的Zn电镀过程原位光学显微镜成像。
图3. ZnGaIn//MXene负极Zn电镀前后的SEM图像与两种负极的图像。
图4. ZnGaIn//MXene负极及对比样品的电化学循环性能。
图5. ZnGaIn//MXene-MnO2全电池的电化学性能。
总结
本文通过非模量的液态GaIn电极证明了Zn电镀过程中存在的应力问题。通过简单的刮刀涂覆的格式制备了应力释放的功能化液态金属MXene层，这种应力释放机理可以有效地抑制Zn枝晶的生长。同时，富含Zn的液态金属的存在提供了更多对于Zn沉积的亲Zn位点，缓解局部的电荷累积，最终降低成核势垒。所制备的负极可以稳定循环600小时，所组装的全电池器件可以稳定循环高达400次。