摘要
水系锌离子电池作为一种新兴的储能技术，具有安全性高、成本低和生产环境简单等优势，被认为是下一代大规模储能技术的有力竞争者。然而，锌负极侧有害的寄生反应和不可控的电沉积行为限制了水系锌离子电池的实际应用。本论文以锌基合金负极为研究对象，探索了合金相组成和微观结构特征对锌沉积/剥离行为和腐蚀抑制能力的影响。深入研究并分析了锌合金的作用机理，并将其应用于高性能锌离子全电池器件，得到了优异的电化学性能。具体工作如下: (1)为抑制析氢腐蚀同时调控锌沉积动力学，构建了一种基于晶界工程的锌钛二元合金。其微观结构特征为含钛金属间化合物择优分布在晶界。TiZn16在弱酸性电解液中保持热力学稳定而不受锌沉积/剥离的影响，因而极大地抑制了晶间腐蚀。混合的形核和生长模式有利于锌核在空间范围内均匀分布，确保了后续致密的锌沉积。匹配锌钛合金的非对称电池能够稳定沉积/剥离4000次，累积容量4 Ah cm-2,平均库伦效率99.85％。组装的多层软包电池提供1.42mAh cm-2的单层面容量，循环500次后容量保持率为85％。该研究为水系锌离子电池提供了一种新颖的结构设计思路和可扩展的晶界工程策略。 (2)为实现锌均匀沉积/剥离并抑制副反应，设计了一种基于晶粒尺寸调控的锌镁锰三元合金。其微观结构特征为晶粒细小且均匀，颗粒状含锰金属间化合物沿晶界分布。晶粒细化降低了电场分布的不均匀性和枝晶形成的可能，从而产生了更加均匀的微观结构，这有利于有序的锌沉积。匹配锌镁锰合金的对称电池在1 mA cm-2下循环超过167天，电压迟滞仅为28 mV。与NH4V4O10组装而成的全电池循环2000次后，容量保持率为94％。该研究强调了对微观结构特征的基本理解，并且激励了通过精确调控晶粒尺寸来实现高度可逆的锌负极。
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