水系锌离子电池：中科大陈维团队探究锌在不同晶面铜箔上的沉积与溶解
2023/2/1 12:30:00 未来光锥
研究背景
具备理论高能量密度和高安全性的水系锌离子电池，被认为是大规模储能的候选者之一。作为水系锌离子电池的重要组成部分，集流体对锌的沉积形貌以及库伦效率具有显著影响。金属铜箔因其简单的制造工艺、低廉的成本，是水系锌离子电池负极常用的集流体之一。
铜-锌半电池也是水系锌离子电池测试中判断锌负极库伦效率的常见指标之一。因此，近年来，人们通过各种策略，如界面工程，改变铜箔的纳米结构，在铜箔上设计亲锌位点，引入极性基团，合金化效应等，提升锌负极沉积溶解的库伦效率。但不同铜箔对于锌负极电化学性能的影响，目前研究甚少。
基于此，中国科学技术大学陈维教授课题组对三种具有不同优势晶面的铜箔(分别命名为Cu-111，Cu-100，Cu-110)进行探究。结果发现与Cu-111箔相比，在Cu-100和Cu-110箔上，锌金属沉积溶解的首圈库伦效率和循环寿命均有显著提升，成核过电位和沉积过电位也明显下降。因此，Cu-100和Cu-110箔被认为更适合用作水系锌离子电池的负极集流体。其成果以题为“Crystal facet correlated Zn growth on Cu for aqueous Zn metal batteries”在国际期刊Energy Storage Materials上发表。本文共同第一作者为中国科学技术大学博士研究生王明明、王卫平，通讯作者为陈维教授，通讯单位为中国科学技术大学。
研究亮点
提出铜-锌电池测试中铜箔集流体的选择原则，建议应尽量选择优势晶面为(110)或(100)的铜箔。
在Cu-100和Cu-110箔上，锌沉积溶解首圈库伦效率可提升至95%左右，远高于Cu-111箔的~80%。
通过DFT计算和合金化实验验证，在Cu-100和Cu-110箔上具有更强的吸附能，更容易形成CuZn5合金层，这是Cu-100和Cu-110箔展现出更优秀锌沉积溶解性能的部分原因。
使用预沉锌的Zn/Cu-100和Zn/Cu-110电极，在活性炭-锌电容中展现了30000圈的循环稳定性，容量保持率接近100%。
图文导读
图1. 不同优势晶面铜箔的相关表征。不同优势晶面铜箔的XRD (a-c), SEM (d-f), 接触角 (g-i)。
图2. 锌在不同优势晶面铜箔上的电沉积性质。不同优势晶面铜箔的不同电流沉积曲线 (a-c), 成核过电位总结(d), 沉积过电位总结 (e)，沉积锌形貌(f-h)。
图3. 不同晶面铜箔组装的对称和非对称半电池性能.三种Cu-Zn电池的CV曲线(a), 不同电流下首圈库伦效率总结(b), 2mA cm-2, 1mAh cm-2时首圈沉积溶解曲线 (c) 和循环性能对比 (d)。三种预沉锌的不同铜箔对称电池倍率 (e) 和长循环性能对比 (f)。
图4. 三种不同晶面铜箔锌沉积的DFT计算。不同优势晶面铜箔上锌吸附模型 (a-c) 和不同吸附层数的吸附能总结 (d)。
图5. 三种预沉锌的不同晶面铜箔-活性炭电容器性能对比。三种预沉锌的不同晶面铜箔-活性炭电容器的CV曲线 (a), 倍率性能(b), 充放电曲线 (c)，拉贡图 (d) 和长循环性能对比 (e)。
研究结论
在这项工作中，作者证明了锌在具有不同主导晶面的铜箔上生长的相关性，通过比较相应的锌电沉积行为，作者确定铜箔的(100)和(110)晶面对锌金属的电化学性能是有利的。在Cu-100和Cu-110箔上，锌沉积/溶解的初始库伦效率从Cu-111上的80%左右提升至95%左右。并且通过DFT计算对可能机理进行了分析。最后，作者提出了铜箔的选择原则，建议选择优势晶面为Cu(100)和(110)的铜箔，将有利于提高水系锌离子电池的电化学性能。这种锌沉积溶解与铜优势晶面显著的相关性研究将为开发高能量和长寿命的锌金属电池提供新方向。
参考文献
[1] Crystal facet correlated Zn growth on Cu for aqueous Zn metal BatteriesMingming Wang#, Weiping Wang#, Yahan Meng, Yan Xu, Jifei Sun, Yuan Yuan, Mingyan Chuai, Na Chen, Xinhua Zheng, Ruihao Luo, Kui Xu, Wei Chen*Energy Storage Materialshttps://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.026
研究团队
通讯作者 陈维：中国科学技术大学应用化学系特任教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。独立建组以来，作为(共同)通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文40余篇，论文总被引9000余次，H因子45。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利20余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委，Interdisciplinary Materials杂志学术编委，Catalysts杂志编委。
课题组主页 http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1
论文信息
发布期刊Energy Storage Materials
发布时间 2023年1月27日
论文标题Crystal facet correlated Zn growth on Cu for aqueous Zn metal batteries
(DOI：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.026)
团队招聘 |中国科学技术大学陈维教授课题组诚聘联合博士后
一、研究方向
本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：
氢气二次电池的开发与应用。
新型水系离子储能电池。
电催化剂的微观调控与机理探索。
二、申请条件
身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强。
已获得(博士毕业三年之内)或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位。
优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人。
具有良好的英文听说读写能力。
近5年发表过高水平学术论文(至少1篇)。
年龄不超过35周岁。
三、招聘人数
1人
四、岗位待遇
聘期2年。
工资待遇(总年薪税后35万元以上) 此职位为中科大与深圳大学联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组(课题组网页http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1/)，入中国科学技术大学博士后流动站。
五险一金：社会保险(基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险)和住房公积金。
其他相关待遇(享受深圳大学职工基本福利)。
五、申请程序
请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师(weichen1@ustc.edu.cn)，邮件以“博后申请+姓名”命名。
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