【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機(jī)電工程學(xué)院航空宇航制造工程系楊立軍教授團(tuán)隊(duì)提出一種高性能鋅負(fù)極表面周期性微納結(jié)構(gòu)表面相變/亞表面缺陷的飛秒激光調(diào)控新方法。相關(guān)研究成果以《雙功能層工程解鎖無枝晶高性能鋅金屬負(fù)極》(Dual-Functional Layer Engineering Unlocking Dendrite-Free and High-Performance Zinc Metal Anodes)為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。該工作是一項(xiàng)涉及機(jī)械-材料-化學(xué)科學(xué)的交叉學(xué)科研究，為高性能鋅基儲(chǔ)能器件制備提供了新的手段。
 

　　由于鋅金屬負(fù)極具有無毒性、較低的電化學(xué)電位以及較高的容量，水系鋅離子電池已成為下一代大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想材料。然而商業(yè)鋅負(fù)極電極/電解質(zhì)界面不穩(wěn)定易誘發(fā)腐蝕和副反應(yīng)，從而降低儲(chǔ)能器件的庫侖效率和容量。此外，在鋅負(fù)極表面不均勻的界面電場和離子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，枝晶的不可控生長增加了電極/電解液的接觸面積，將進(jìn)一步加劇腐蝕/副反應(yīng)，導(dǎo)致電極變形甚至產(chǎn)生裂紋。因此，獲得界面穩(wěn)定、無枝晶、壽命長的鋅負(fù)極對(duì)水系鋅離子電池的商業(yè)化具有重要意義。
 

　　針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)提出了鋅負(fù)極表面周期性微納結(jié)構(gòu)表面相變/亞表面缺陷的飛秒激光調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了高性能鋅基儲(chǔ)能器件的新設(shè)想。團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光加工技術(shù)在鋅負(fù)極表面制備了周期性微納結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高可逆鋅負(fù)極。通過飛秒激光加工在鋅負(fù)極表面制備了一種具有表面氧化層和亞表面位錯(cuò)層的雙功能周期性微納結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，微納結(jié)構(gòu)表面氧化鋅層可以優(yōu)化鋅離子的成核行為，實(shí)現(xiàn)鋅離子的均勻沉積，抑制腐蝕和副反應(yīng)。亞表層位錯(cuò)層能夠增強(qiáng)電極/電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性，并提供額外的應(yīng)變支撐和電子傳輸途徑。在高容量沉積過程中，亞表層位錯(cuò)層可以降低應(yīng)力集中并促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，從而有效抑制枝晶生長與電極結(jié)構(gòu)損傷。飛秒激光誘導(dǎo)鋅負(fù)極表面雙功能層策略有效地結(jié)合了表面保護(hù)層和亞表面位錯(cuò)層，從而提高了鋅負(fù)極的電化學(xué)性能。因此，雙功能層鋅負(fù)極具有良好的界面穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了超長循環(huán)性能和高庫侖效率。此外，飛秒激光誘導(dǎo)周期性微納結(jié)構(gòu)在大面積軟包電池和柔性水系鋅離子電池體系中具有優(yōu)異的電化學(xué)性能及柔性，驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，同時(shí)為提高其他金屬電極的界面穩(wěn)定性提供了參考。
 

飛秒激光誘導(dǎo)鋅負(fù)極表面周期性微納結(jié)構(gòu)形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)表征
 

周期性微納結(jié)構(gòu)鋅負(fù)極沉積形貌及機(jī)理研究
 

周期性微納結(jié)構(gòu)鋅負(fù)極電化學(xué)性能及實(shí)際應(yīng)用
 

　　哈工大為論文第一完成單位。材料科學(xué)與工程學(xué)院博士后劉亞楠為論文第一作者，機(jī)電工程學(xué)院楊立軍教授與丁燁副教授為論文共同通訊作者。
 

　　該研究工作得到了國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金與中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。