ChemSusChem:丝素蛋白涂层实现无枝晶锌负极和长循环寿命的水系锌离子电池

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扬州大学化学化工学院校特聘青年百人王天奕博士与郑州大学电气工程学院徐晶副教授合作在ChemSusChem期刊发文对不同构象的丝素蛋白在水系锌离子电池中锌金属负极的保护进行了探讨。文章通过简单的涂覆方法在锌负极上制备了丝素蛋白层并用化学方法诱导蛋白层的构象由Silk I型向Silk II型转变,提出了Silk I型和Silk II型两种分子构象的丝素蛋白对锌负极枝晶生长和析氢腐蚀的抑制作用机制。



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由于锌具有储量高、成本低廉、环境稳定等优点,同时水系电解液具有电导率高、安全环保的特性,结合了这两者优势的水系锌离子电池有希望成为继锂离子电池之后的下一代电池。但是水系锌离子电池锌负极存在的枝晶生长、腐蚀和钝化等问题会导致电极循环寿命降低甚至造成电池短路,这些问题严重阻碍了水系锌电池的商业化。在锌负极表面构建人造SEI层可以有效解决锌负极的枝晶生长和析氢腐蚀问题,是一种有前景的解决方案。


扬州大学化学化工学院校特聘青年百人王天奕博士与郑州大学电气工程学院徐晶副教授通过简单的涂覆和处理在锌负极表面上制备了均一的、稳定的Silk II-Silk Fibroin (Silk II-SF)涂层。这种生物大分子聚合物涂层是一种很好的屏障,可以阻挡电解液中的H2O和O2直接与锌负极接触。与Silk I-SF相比Silk II-SF更稳定,对金属的吸附性更好。同时,Silk II-SF分子链上丰富的官能团(如-COOH、-CO-NH-和-NH2)可以与Zn2+相互作用并降低成核电位,并引导Zn2+优先在Zn(002)晶面上水平生长,实现负极表面的均匀Zn沉积。实验表明,Silk II-SF涂层可以通过吸附效应和强粘附能力防止枝晶生长和析氢腐蚀。因此,在对称电池测试中,使用Silk II-SF@Zn的电池在10mA cm-2和20mA cm-2的电流密度下分别实现了3300h和1500h的循环寿命,远优于裸锌电池。同时,Silk II-SF@Zn在Zn||Cu和Zn||V2O5电池中分别展示出了优异的循环稳定性和倍率性能。Silk II-SF@Zn||Cu电池在1 mA cm-2 的电流密度下成核过电位为42.4 mV,比Zn||Cu电池(51.8 mV)低了9.4 mV,较低的成核电位有利于Zn2+的水平沉积。Silk II-SF@Zn||Cu电池在2 mA cm-2的电流密度下能稳定循环1000圈以上(Zn||Cu电池循环到400圈左右发生短路)。在2A g-1的电流密度下循环1000圈后,Silk II-SF@Zn||V2O5和Zn||V2O5的电池容量分别为92 mAh g-1和54 mAh g-1,Silk II-SF涂层能够减少Zn损失提高电池循环寿命。使用Silk II-SF 涂层保护锌负极是实现无枝晶锌负极和长循环寿命水系锌离子电池的一种简便有效策略,有利于推动水系锌离子电池的实际应用。

文信息

Silk Fibroin Coating Enables Dendrite-free Zinc Anode for Long-Life Aqueous Zinc-ion Batteries

Jiahui Lu, Jian Yang, Zhihao Zhang, Chengyin Wang, Jing Xu* and Tianyi Wang*


ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202200656




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