三维多孔结构和亲锌性梯度协同构筑无枝晶锌电极

锌离子电池具有能量密度高、安全性好、价格低廉等优点,被认为是规模化储能的理想选择之一.然而,其锌负极在电化学循环过程中易产生枝晶、析氢和表面钝化等,造成电池库伦效率低、锌利用率低和循环寿命短等缺陷,限制了其规模化应用.本工作采用电沉积法在自制三维多孔铜内先沉积具有高亲锌性的PbSn合金层,再沉积Zn层,最后通过化学置换,在上层孔表面获得PbSn合金层,其在ZnSO_(4)电解液中形成较低亲锌性的PbSO_(4)层,最终形成由三维多孔内部到外部亲锌性逐渐降低的具有三维亲锌性梯度的锌电极3D Cu@PbSn@Zn@PbSn(3D Cu@PSZPS).三维多孔结构可提高电极比表面积,提供更均匀的电场分布,降低电流密度,提高锌沉积容量,抑制枝晶生长、析氢和钝化;内层孔PbSn合金具有高亲锌性,可诱导锌从内层孔沉积,抑制锌枝晶生长;Pb和Sn具有高析氢过电位,可抑制析氢,同时抑制由于析氢致使电极表面pH值升高而产生的钝化.因此该电极结构可获得优异的电化学性能,在电流密度5 mA•cm^(−2),面积容量1 mAh•cm^(−2)的条件下,可实现锌的稳定沉积/剥离900次以上,首圈成核过电位仅16.4 mV,首圈库伦效率高达99.66%;以此电极组装的对称电池可以稳定循环超过700 h;采用商业MnO_(2)与之匹配得到的MnO_(2)||3D Cu@PSZPS全电池在0.3 A•g^(−1)时具有238.7 mAh•g^(−1)的可逆比容量和300次循环后79.4%的容量保持率,在1.8 A•g^(−1)的电流密度下可稳定循环2000次以上.