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Angew. Chem. :β-丙氨酸阳离子触发的界面多米诺效应实现高可逆锌阳极

可充电ZHSCs因其本征安全、成本效益、高理论容量(820 mAh g-1或5855 mAh cm-3)和可接受的能量密度而成为电网规模储能系统的最有前途的候选者。然而,不受控制的枝晶生长、寄生的析氢反应和伴随的绝缘副产物积累阻碍了ZHSCs的广泛应用。


基于此,新疆大学季辰辰副教授,桂林电子科技大学孙立贤教授和德国卡尔斯鲁厄理工学院Hans Jürgen Seifert教授等人提出了β-丙氨酸(Ala)填充型一体化水凝胶电解质(PBZ-H),其中Ala自电离形成Ala+阳离子,Ala+阳离子特异性吸附在Zn负极界面,有效地触发随后的静电屏蔽和多米诺效应。上述多米诺效应极大地提高了Zn负极的利用率和长期稳定性。

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本工作提出了一种填充型氨基酸添加剂(Ala)的一体式水凝胶电解质PBZ-H。如图1所示,Ala分子具有pH依赖的电离行为,在弱酸性的ZnSO4电解质中会自电离成阳离子(Ala+),并在负极/水凝胶电解质界面的IHP处发生静电吸附后引发一系列类似“多米诺骨牌”的链式效应。

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由于界面吸附的Ala+阳离子的静电屏蔽效应,与裸锌相比,在Ala+吸附的锌界面不同位置上的Zn2+迁移能垒显著增加。由于静电屏蔽效应,Ala+离子会优先聚集在已经存在的尖锐沉积边缘或尖端周围,这诱导二次成核倾向于发生在已经形成的Zn薄片的暴露(002)晶面上,并触发在(002)晶面上的外延生长。最终,Zn沉积缓慢的电化学反应动力学为Zn2+在(002)晶面的积累提供了充足的时间,有利于层状生长,从而获得堆叠的片状形貌。

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Ala+-SO42-配合物(-1.59 eV)较低的LUMO能级,说明相比于SO42-或Ala+,Ala+-SO42-优先被还原,从而有利于形成阴离子衍生的SEI层。界面上吸附的Ala+实现了阴离子的固定和富集,并促进了SO42-阴离子的电化学还原,进一步增强了Zn电极的耐腐蚀性和稳定性。

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基于上述测试结果,推测IHP中特定吸附的Ala+阳离子可能会带来新的控速步骤,从而影响界面竞争反应的发生顺序。这种可逆性和可循环性的改善归因于聚合物中带正电荷的Ala+阳离子及其伴随的多米诺效应,它可以诱导Zn2+离子的均匀沉积,并防止严重的寄生反应。


Ala自电离成阳离子的特殊行为,在IHP静电吸附后引发了多米诺效应。这项工作发现了Ala+阳离子的界面多米诺效应,并提供了一种高效的方案来提高Zn电极的电化学可逆性和ZHSCs的可充电性。

文信息

Interfacial Domino Effect Triggered by β-Alanine Cations Realized Highly Reversible Zinc-Metal Anodes

Gaozhi Guo, Prof. Chenchen Ji, Jiadong Lin, Tianlong Wu, Yulu Luo, Chaorui Sun, Mengjun Li, Hongyu Mi, Prof. Lixian Sun, Prof. Hans Jürgen Seifert


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202407417


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