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胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道！離子篩涂層實現(xiàn)無枝晶金屬鋅負(fù)極

金屬鋅負(fù)極 (MZAs) 上的尖端誘導(dǎo)枝晶從根本上降低了水系鋅金屬電池 (ZMB) 的可充電性。如何以更環(huán)保、更經(jīng)濟和可擴展的方式解決MZA的棘手問題并具有更好的可行性，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在此，安徽大學(xué)胡海波教授、吳明在教授等人首次提出了一種由可再生、低成本、環(huán)境友好的3D交織細(xì)菌纖維素組成的有趣離子篩（IS），通過原位自組裝途徑沉積在MZA（Zn@IS）表面，可有效抑制 MZA 上的枝晶生長。

詳細(xì)的實驗表征及分子動力學(xué)/DFT計算證明，與配位水相比，IS與Zn²⁺的相互作用更強，從而打破了水合Zn²⁺的溶劑化平衡，促進了[Zn(H₂O)₆]²⁺的去溶劑化。同時，由于涂層排斥大量的配位水，MZAs與電解液之間的界面自由水較少，有效削弱了析氫副反應(yīng)。此外，具有豐富納米孔作為離子通道的IS涂層可使Zn²⁺離子通量均勻化，有助于Zn均勻沉積。

圖1. IS涂層的原位自組裝策略示意圖及表征

正如預(yù)期的那樣，與原始Zn||Zn對稱電池（僅300 h過電位就從127.2迅速增大到376.8 mV）相比，Zn@IS||Zn@IS電池在3000 h（0.25mAh cm^-2）下具有更出色的電鍍和剝離穩(wěn)定性，觀察到的過電位僅略有增加（從73.5增加到78.1mV）。

隨后，與進一步設(shè)計的碳納米管（CNT）@MnO₂正極配對，得到的全ZMB的循環(huán)性能（0.5 A g^-1下循環(huán)3000次后容量保持率為73.3%）遠(yuǎn)優(yōu)于基于原始MZA的電池（僅為21%），驗證了Zn@IS負(fù)極作為原始MZA的替代電極以提高ZMB的可充電性能的可行性。該研究提供了一種簡單但高效的保護協(xié)議以加強MZA 的電化學(xué)可逆性，從而縮小ZMB可充電性的現(xiàn)實與商業(yè)需求之間的差距。

圖2. 基于原始Zn和Zn@IS負(fù)極的ZMB性能對比

Ion Sieve: Tailoring Zn²⁺ Desolvation Kinetics and Flux toward Dendrite-Free Metallic Zinc Anodes, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c08638

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胡海波/吳明在ACS Nano: 首次報道！離子篩涂層實現(xiàn)無枝晶金屬鋅負(fù)極

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