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潘安強/常智Small：定向誘導偶極電場促進鋅離子脫溶劑化實現(xiàn)高穩(wěn)定無枝晶鋅金屬電池

水引起的副反應和不受控制的鋅枝晶生長是長期存在的棘手問題，嚴重阻礙了水系鋅金屬電池的發(fā)展。然而，這些臭名昭著的問題與電解質(zhì)溶劑化結(jié)構(gòu)和鋅離子傳輸行為密切相關。

在此，中南大學潘安強教授、常智教授等人通過在鋅表面構(gòu)建定向誘導偶極電場，鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu)和輸運行為都發(fā)生了根本改變。?在極化電場內(nèi)實現(xiàn)垂直有序的鋅離子遷移軌跡，逐漸集中的鋅離子消除了與水相關的副反應和鋅枝晶的生長。因此，?極化電場下的鋅金屬表現(xiàn)出高的可逆性和無枝晶表面。?

圖1. 結(jié)構(gòu)表征及理論模擬結(jié)果

具體而言，該工作發(fā)現(xiàn)鋅金屬表面的無機鐵電材料可以促進麥克斯韋電場的形成，該電場可以同時調(diào)節(jié)鋅離子的輸運行為和溶劑化結(jié)構(gòu)。?得益于垂直有序的鋅離子遷移軌跡和逐漸集中的鋅離子，麥克斯韋電場下的鋅金屬可以避免與水相關的副反應和不可控的鋅枝晶。?結(jié)果顯示，當在麥克斯韋電場下循環(huán)時，Zn||Zn對稱電池的壽命比基于裸Zn的電池長17倍以上（1400小時，在1 mAh cm^?2、1 mAh cm^?2下）， Zn||Cu半電池的庫倫效率也顯著提高至99.9%的超高值。

?此外，可實現(xiàn)2000次循環(huán)（約100％容量保持率）的超穩(wěn)定的NH₄V₄O₁₀||Zn半電池。?特別是在高負載MnO₂（約10mg cm^?2）和有限N/P比的惡劣條件下，所制備的實用級MnO₂||Zn軟包電池在150次循環(huán)后仍保持其初始容量的87.9%。因此，這一發(fā)現(xiàn)將極大地促進了各種實用金屬電池的發(fā)展。

圖2. 電池性能

Aligned Dipoles Induced Electric-Field Promoting Zinc-Ion De-Solvation toward Highly Stable Dendrite-Free Zinc-Metal Batteries, Small? 2023 DOI:?10.1002/smll.202303457

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