【48812】中山大学石铠源团队AFM：氧化复原活性PPyTiron阳极电解液处理锌金属负极难题

  在各种储能系统中，水系锌离子电池因其高安全性、杰出的电化学功能和对环境友好等长处被视为“后锂年代”十分有远景的储能器材。锌金属作为一种极具潜力的负极资料，具有高理论比容量（820 mAh g−1）和低Zn/Zn2+氧化复原电位 （-0.76 V vs. 规范氢电极）的长处。但是，锌金属的实践使用面对许多应战，包含锌枝晶成长、水电解和副产物生成。

  中山大学石铠源课题组经过规划氧化复原活性“电极-电解液”界面来处理锌负极所面对的应战，以打破锌离子电池储能的极限。

  相关研讨成果发表于Advanced Functional Materials上。本文榜首作者为课题组研三学生罗鸣武，石铠源副教授为通讯作者。

  ，作为锌离子电池阳极电解液添加剂的效果。Tiron添加剂可一起作为阴离子掺杂聚吡咯，用于构建人工固态电解质保护层（PPy/Tiron），以取得耐腐蚀、无枝晶的锌负极。

  一起，充放电进程中，Tiron产生可逆的氧化复原反响，提高电池的比容量。此外，因为离子诱导成核效果，充放电进程聚吡咯的掺杂和去掺杂效应促进了Tiron在锌金属上的吸附和解吸。

  理论核算和试验表征成果证明，聚吡咯作为耐蚀层提高了锌金属的界面稳定性，而聚吡咯去掺杂进程开释Tiron，以其酚醌转化进程促进了电池的电荷转移。

  在2 mA cm-2和1 mAh cm-2条件下，由PPy/Tiron拼装的Zn//Zn对称电池与初始锌箔比较，成核过电位下降，循环寿数从50小时延伸至2500小时。原位紫外-可见光测验成果证明晰所提出的PPy/Tiron氧化复原机制。Zn//α-MnO2全电池的测验依据成果得出，因为赝电容效应，PPy/Tiron显示出更高的容量和更优异倍率功能。

  本研讨提醒了根据氧化复原活性芳香族掺杂剂改性导电聚合物的新办法，为按捺锌金属副反响供给了一种有用的办法。

  1.提出了锌负极全体改性战略，包含电极润饰和电解液改性两部分。人工固态电解质保护层提高了锌的耐蚀性，而阳极电解液添加剂提高了锌的稳定性。阐明晰电极-离子间的相互效果及与电化学功能之间的联络；

  2.在聚吡咯为电化学活性资料基础上引进氧化复原活性资料Tiron。Tiron促进了锌负极外表的电荷转移。此外，Tiron的磺酸根基团提高了聚吡咯的导电性，Tiron的酚羟基提高了聚吡咯与锌金属间的黏附力；

  3.原位紫外-可见光测验成果提醒了Tiron在电场效果下的酚-醌转化机制。Tiron酚羟基⇌醌基可逆改变随同聚吡咯的掺杂和去掺杂进程，促进了锌电极的电荷转移。

  充电进程中锌离子堆积示意图：（A）无润饰锌箔和（B）附着PPy/Tiron锌箔。

  资料组成与电极制备示意图：（A）化学聚合法和（B）电化学聚合法。（C）不同电极接触角（硫酸锌电解液）。选用不一样电极拼装Zn//Zn对称电池的（D）记时电位曲线和（E）EIS图谱。含不同浓度Tiron添加剂电解液的（F）外表张力和（G）紫外-可见光光谱分析。薄膜的负载量与（H）聚合进程电荷量（插图：左为无润饰锌箔，右为PPy/Tiron附着锌箔）和（I）Tiron浓度的联系（插图：Tiron的化学结构式）。

  （A）Tiron在金属锌上的吸附结构。（B）Tiron在PPy链间的掺杂与桥联结构。（C、E、G）5 mM Tiron掺杂剂和（D、F、H）10 mM Tiron掺杂的PPy/Tiron（C、D）描摹，（E、F）力-位移曲线（插图：粘附力求），（G、H）呼应电流图谱。

  （A）选用不一样电极拼装的Zn//Zn对称电池在2 mA cm-2、1 mAh cm-2下的长循环及电压-时刻曲线扩大图。选用不一样电极拼装的Zn//Ti半电池的（B）CE和（C）CV曲线。（D）不同电极循环后SEM图。（E）在60 mA cm-2电流密度下原位光学观测锌离子在不同电极外表的堆积进程。选用（F）X-ray CT和（G）XRD探求未润饰锌箔和PPy/Tiron附着锌箔循环后失效原因。

  （A）CAT、BSA和Tiron添加剂的LUMO-HOMO轨迹能量和带隙。（B）Tiron在ZnSO4中氧化复原机制。（C）5 mM Tiron在不同电位下的原位紫外-可见光谱（插图：电解液相片）。（D）Py、PPy和PPy/Tiron的LUMO-HOMO轨迹能量和带隙。PPy/Tiron的（E）态密度和（F）差分电荷。

  （A）Zn//α-MnO2全电池作业原理示意图。（B）PPy/Tiron电极在不同扫描速率下的CV图。（C）根据CV数据线性拟合log(i)-log (v)图的对应峰值斜率。（D）PPy/Tiron电极在0.1 mV s−1时的电容操控（洋红域）奉献。（E）PPy/Tiron电极在不同扫描速率下的电容和扩散操控的奉献比。（F）PPy/Tiron附着和未润饰锌箔的EIS图谱。（G）PPy/Tiron电极在0.25 C脉冲电流密度和1小时弛豫时刻条件下运转的恒电流间歇滴定曲线（GITT）。PPy/Tiron和初始锌箔的（H）倍率功能测验和（I）长循环功能测验。（J）Zn//α-MnO2电池点亮LED灯珠。

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