纳米铜修饰三维锌网电极的制备及锌离子电池负极的电化学性能

doi:10.7503/cjcu20220257

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (10): 20220257.doi: 10.7503/cjcu20220257

纳米铜修饰三维锌网电极的制备及锌离子电池负极的电化学性能

姜宝正¹^,², 黄文婷², 刘文宝², 郭荣胜², 徐成俊²(), 康飞宇¹^,²()

^1.清华?伯克利深圳学院
^2.清华大学深圳国际研究生院, 深圳 518055

收稿日期:2022-04-17 出版日期:2022-10-10 发布日期:2022-06-09
通讯作者: 徐成俊,康飞宇 E-mail:zincgroup@126.com;fykang@tsinghua.edu.cn
基金资助:
深圳科技计划项目(JCYJ20160301154114273)

Preparation of Nano-copper Modified Three-dimensional Zinc Mesh Electrode and Its Performance as Anode for Zinc-ion Batteries

JIANG Baozheng¹^,², HUANG Wenting², LIU Wenbao², GUO Rongsheng², XU Chengjun²(), KANG Feiyu¹^,²()

^1.Tsinghua?Berkeley Shenzhen Institute
^2.Tsinghua Shenzhen International Graduate School，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China

Received:2022-04-17 Online:2022-10-10 Published:2022-06-09
Contact: XU Chengjun,KANG Feiyu E-mail:zincgroup@126.com;fykang@tsinghua.edu.cn
Supported by:
the Shenzhen Technical Plan Project, China(JCYJ20160301154114273)

1. ESM to 20220257.pdf(211KB)

摘要/Abstract

摘要：

设计构建了纳米铜修饰的三维锌网电极(Nano Cu@3D Zn Mesh, 简称3D Cu-Zn电极), 并将其作为锌沉积的宿主材料用作锌离子电池的负极, 获得了稳定的、具有长循环寿命的锌负极材料. 3D Cu-Zn电极的三维(3D)锌网骨架和表面均匀分布的3D树枝状纳米铜可以降低局部电流密度, 并为锌的沉积提供结构支撑和容纳空间. 锌网表面具有的较强锌结合能力的铜和后续原位形成的铜锌合金, 可以有效降低锌形核的过电势, 并作为均匀分布的形核位点引导锌的均匀成核和沉积. 这种3D Cu-Zn电极宿主材料表现出较低的形核过电势和界面阻抗, 并在对称电池中表现出优异的循环稳定性, 在0.5 mA/cm²的电流密度下可以稳定循环超过1100 h. 3D Cu-Zn电极与MnO₂组装的全电池表现出更小的极化、良好的倍率性能和循环性能.

关键词: 锌离子电池, 锌金属负极, 三维集流体, 亲锌位点, 铜锌合金

Abstract:

Nano-copper modified three-dimensional zinc mesh（nano Cu@3D Zn mesh， denoted as 3D Cu-Zn） electrode was designed and fabricated. The 3D Cu-Zn electrode was adopted as the host material of Zn deposition in zinc ion batteries. Stable Zn anode with long cycle life was achieved. The 3D Cu-Zn electrode with 3D zinc mesh skeleton and uniformly distributed Cu nanoparticles with 3D dendritic morphology can reduce the local current density and provide structural support and accommodation space for Zn deposition. In addition， the copper with strong zinc binding ability on the surface of the zinc mesh and subsequent in situ formed Cu-Zn alloy can effectively reduce the nucleation overpotential and act as uniformly distributed nucleation sites to guide the uniform nucleation and deposition of zinc. The 3D Cu-Zn electrode exhibits low nucleation overpotential and interfacial impedance， and shows excellent cycling stability（over 1100 h lifespan） in symmetric cells at a current density of 0.5 mA/cm². When combined with MnO₂ cathode， the full cell with 3D Cu-Zn electrode exhibits smaller polarization， superior rate performance and excellent cycling performance.

Key words: Zinc-ion battery, Zinc metal anode, Three-dimensional current collector, Zincophilic site, Copper-zinc alloy

中图分类号:

O646

TrendMD:

姜宝正, 黄文婷, 刘文宝, 郭荣胜, 徐成俊, 康飞宇. 纳米铜修饰三维锌网电极的制备及锌离子电池负极的电化学性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220257.

JIANG Baozheng, HUANG Wenting, LIU Wenbao, GUO Rongsheng, XU Chengjun, KANG Feiyu. Preparation of Nano-copper Modified Three-dimensional Zinc Mesh Electrode and Its Performance as Anode for Zinc-ion Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220257.

图/表 7

Fig.1 SEM images of pristine Zn mesh(A) and 3D Cu?Zn sample(B—D)

Fig.2 XRD patterns of pristine Zn mesh and 3D Cu?Zn sample

Fig.3 Voltage?time curves of zinc nucleation on Zn foil and 3D Cu?Zn electrodes at 1 mA/cm2(A), Nyquist plots of the symmetric cells in pristine state(B) and cycled state(C), rate performance of the Zn@3D Cu?Zn symmetric cell at various current densities(D)

Fig.4 Cycling performance of the Zn foil(A) and Zn@3D Cu?Zn(B) symmetrical cell at a current density of 0.5 mA/cm2 with an areal capacity of 0.5 mA·h/cm2, cycling performances of the Zn@3D Cu?Zn symmetrical cells at a current density of 2 mA/cm2 with an areal capacity of 2 mA·h/cm2(C)Insets of (B) and (C): detailed voltage profiles.

Fig.5 SEM images(A—C) of Zn@3D Cu?Zn electrode

Fig.6 XRD pattern of Zn@3D Cu?Zn electrode after cycling for 200 h

Fig.7 CV curves (A), rate performance(B) and cycling performance at 0.5 A/g(C) of the Zn foil/MnO2 and Zn@3D Cu?Zn/MnO2 full cells

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