【锌碘电池】 南京工业大学SMALL:多功能核壳结构界面层调控锌沉积行为并抗多碘离子以实现超长寿命锌-碘电池-Yueyue Qiao

【论文链接】

https://doi.org/10.1002/smll.74222

【作者单位】

南京工业大学

【论文摘要】

锌-碘（Zn-I₂）电池因其丰富的天然储量、较高的电压平台以及非离子（脱）嵌入机制，在储能领域引起了广泛关注。然而，锌枝晶生长与副反应，以及严重的多碘化物溶解和穿梭效应，限制了其实际应用。本文通过静电自组装设计并合成了一种核壳结构的InHCF@ZIF-8（IHZ），用作锌负极的多功能界面层。在InHCF和ZIF-8的双重配位机制驱动下，IHZ表现出优异的锌亲和性和高析氢过电位，不仅诱导了均匀的锌沉积，还实现了局部电场和Zn²⁺通量的均匀分布。此外，IHZ对Zn（002）晶面的强吸附作用引导了锌的水平沉积，从而有效抑制了枝晶的形核与生长。同时，通过静电排斥作用，自放电效应得到了缓解。因此，采用Zn@IHZ负极的对称电池在0.5 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²条件下实现了长达6490小时的超长循环寿命。Zn@IHZ负极赋予Zn-I₂电池优异的容量、出色的倍率性能以及超过14800圈的超长寿命。

【实验方法】

IHZ的制备：IHZ通过模板诱导策略制备。立方相InHCF粉末采用共沉淀法合成。分别配制50 mL含1.261 g InCl₃·4H₂O的溶液（用HCl溶液将pH调至3）和50 mL含0.708 g K₃[Fe(CN)₆]的溶液。将这两种溶液通过蠕动泵以1 mL min⁻¹的恒定速率连续滴加至50 mL去离子水中，静置12小时。陈化后，所得沉淀物经真空抽滤并用去离子水反复洗涤，随后在60 °C真空烘箱中干燥10小时，得到InHCF粉末。随后，将100 mg所合成的InHCF粉末分散于15 mL甲醇中，然后加入89 mg Zn(NO₃)₂·6H₂O，得到溶液A。将197 mg 2-MIM溶解于45 mL甲醇中，超声处理15分钟，得到溶液B。随后，将溶液B缓慢加入溶液A中，用磁力搅拌器持续搅拌6小时。最后，混合物经真空抽滤并用甲醇反复洗涤，随后在60 °C真空烘箱中干燥10小时，得到IHZ粉末。

Zn@IHZ、Zn@InHCF和Zn@ZIF-8电极的制备：将IHZ粉末与聚偏二氟乙烯按9:1的质量比混合。研磨过程中加入N-甲基-2-吡咯烷酮，所得混合物通过超声雾化喷涂至未经处理的锌箔表面，得到Zn@IHZ电极。Zn@InHCF和Zn@ZIF-8电极采用上述相同工艺制备，仅分别将IHZ替换为纯InHCF粉末和ZIF-8粉末。

【图文摘取】

【主要结论】

本文通过静电自组装开发了具有锌亲和性和疏水性的核壳结构IHZ，并将其用作锌负极的涂层。

（1）IHZ界面层优化了Zn²⁺的扩散-吸附-沉积行为。IHZ表面较低的Zn²⁺形核势垒促进了其均匀吸附和形核。同时，IHZ表现出高达1.0 eV的ΔGH*，显示出抑制析氢反应（HER）的显著潜力。

（2）因此，对称的Zn@IHZ电池在0.5 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²条件下实现了超过6490小时的超长循环寿命。更重要的是，IHZ层还能通过静电排斥作用防止多碘离子对负极造成的腐蚀，这在Zn@IHZ//I₂全电池于20 C下超过14800圈的优异循环稳定性中得到了具体体现。

本工作不仅为高性能人工界面层的设计提供了可行的策略，而且深化了对解决锌负极和碘正极协同问题的调控机制的理解，从而为长循环寿命锌-碘电池的开发展示了广阔的实际应用前景。