Yunpei Zhu, Yi Cui*, and Husam N. Alshareef*.

An Anode-Free Zn–MnO2 Battery.

Nano Lett. (2021).

DOI:10.1021/acs.nanolett.0c04519

【研究背景】

水系Zn电池（AZBs）由于Zn金属阳极的低成本和高理论容量而受到众多学者的广泛研究。过去众多研究一直致力于设计具有更高稳定性和能量密度的可充电Zn电池，例如Zn–MnO2，Zn–空气和Zn–Ag2O。然而，迄今为止开发的Zn基电池利用过量的Zn（即厚的Zn金属阳极），这降低了整个电池的能量密度。

如果AZBs的阳极采用无负极设计可以显著提高整个电池的能量密度（图1）。但是，如果将无活性集流体（例如Ti和Cu箔）直接用于常规的水性电解质中（例如ZnSO4，Zn（CF3SO3）2），则无负极的锂/钠金属电池中出现的问题（如低库伦效率CE和枝晶生长）也会出现在无负极Zn电池中。这是因为无主体的Zn倾向于在这些集流体上形成树枝状晶体。在无负极锂/钠金属电池中使用的提高工作温度和固态电解质的方法将不利于发挥AZBs进行大规模使用的优势。由于锌金属阳极的表面工程设计可以有效避免枝晶的形成，对集流体和镀锌金属之间的界面进行工程设计可以诱导均匀的锌沉积并提高其CE，从而可以通过使用AZBs来提供可行的AZBs。在室温下使用常规的水性电解质。对集流体和镀锌金属之间的界面进行工程设计可以诱导均匀的Zn沉积并改善其CE，从而可以在室温下使用常规的水性电解质来使AZBs正常运作。

图1. 标准电池和无负极电池对比。

【成果简介】

基于此，斯坦福大学崔屹教授和阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授开发了一种简单而有效的策略来实现稳定且高效的镀锌/剥离。在这种设计中，通过直接的水处理将碳纳米盘的成核层涂覆到Cu箔上用作集流体，该成核层有着较低的成核势垒从而起到促进的均匀镀锌的作用。该成果以“An Anode-Free Zn–MnO2 Battery.”为题发表在国际顶级期刊Nano Lett.上。

【本文亮点】

1、除去活性负极后，无负极电池的质量和体积会减少，从而提高能量密度。

2、C/Cu集流体有着较低的成核势垒从而起到促进的均匀镀锌的作用。

【图文解析】

Ⅰ、镀锌/剥离性能

图2. C/Cu电极在3 M Zn（CF3SO3）2中的电化学镀锌/剥离性能。

▶ 要点：

1、CE和稳定性的提高说明竞争反应（例如HER）和“死”锌形成的较少。

2、明显降低的过电位与碳纳米圆盘和Zn金属之间的轻微晶格失配有关，从而降低了成核层表面镀锌/剥离的能垒。

3、根据EIS中的半圆对应于界面电荷转移阻力，在循环过程中直径较小时仍保持稳定。这表明碳纳米盘在建立稳定的界面以改善Zn镀层/剥离方面起着关键作用。

Ⅱ、沉积形貌表征

图3. 镀锌后，Cu和C/Cu电极的异位SEM图像。

▶ 要点：

1、与在铜衬底上形成大的锌树枝状晶体相反，在C/Cu电极上形成的锌沉积物是排列良好的纳米片阵列。

2、碳纳米盘的成核层不仅可以抑制枝晶生成，而且提供了高导电网络和稳定的界面，以诱导均匀的Zn成核和沉积。

Ⅲ、电池性能

图4. 无负极Zn−MnO2电池示意图和电池性能对比。

▶ 要点：

通过对比标准电池和无负极电池中锌在整个电池中的质量和能量密度关系图可知，增加Zn金属的负载质量会导致整个电池的能量密度显着下降，这表明在基于常规水性电解质中，无负极的设计实现具有更高能量密度的锌基电池有着较大的潜力。

【结论与展望】

总之，本文展示了一种基于成核层的新型无负极锌基电池，以促进高效的镀锌/剥离。作者展示了具有良好稳定性和高能量密度的无负极Zn-MnO2电池原型。无负极概念对构建用于固定电网存储的经济高效的高性能水性电池具有重要意义。