摘要
具有高离子电导率、环境友好和高安全性等特点的水系金属电池被视为是下一代新型储能电池体系的有力竞争者。其中，金属锌具有储量丰富、氧化还原电位低（-0.763Vvs.标准氢电极）和体积能量密度高（5855mAhcm-3）等优点，被视为是一种理想的水系电池负极材料。然而，在工作过程中金属锌负极/电解液界面上容易发生一系列诸如腐蚀（析氢）、钝化和枝晶生长等副反应，极大地损害了金属锌负极的稳定性与可逆性，降低了电池的使用寿命并制约着水系锌离子电池（AZIBs）的进一步发展与应用。本论文围绕金属锌负极/电解液界面这一中心，从锌负极表面界面工程，电解液优化和隔膜设计三方面出发，对锌负极/电解液界面进行调控，提高锌负极的稳定性与可逆性，为发展高性能水系锌离子电池提供新的思路与见解。具体内容如下： （1）通过刮涂法在锌负极表面引入了一层厚度可调，具有三维多孔结构的氮掺杂碳界面层（3D-NC）。理论计算与模拟结果表明，3D-NC界面层能够为Zn2+离子提供均匀的吸附位点、均衡电极表面电场分布和调节电极/电解液界面离子通量，多方位协同引导Zn2+离子的均匀快速沉积；此外，三维多孔的结构赋予了3D-NC界面层一定的体积变化适应能力，确保了锌负极在反复锌剥离/沉积过程中的稳定性。 （2）通过在ZnSO4电解液中加入硫脲（TU）分子添加剂，在锌负极表面构建了一层金属-分子界面。实验结果与理论计算表明，锌负极与TU形成的金属-分子界面不但能够作为缓蚀剂调节锌负极上的双电层（EDL）结构，抑制由水所引发的界面副反应，实现耐腐蚀的金属锌负极；同时，金属-分子界面具有的优异亲锌性显著改善了锌沉积动力学，能够作为调节器均衡界面Zn2+离子分布，引导锌均匀沉积，实现无枝晶的金属锌负极。 （3）以生物质细菌纤维素（BC）为基底，通过与纳米羟基磷灰石（HAP）颗粒进行复合，制备了绿色、经济的ZnHAP/BC新型隔膜。一方面，ZnHAP/BC通过其表面的极性官能团限制了电解液中H2O分子的活性，调节了水合锌离子[Zn(H2O)62+]的去溶剂化过程，抑制了电极表面上相关副反应的发生；另一方面，ZnHAP/BC改善了Zn2+离子的传输动力学，均衡了电极界面的Zn2+离子通量，降低了锌负极/电解液界面的浓差极化现象，从而引导Zn2+离子快速均匀的沉积。
NETL