厦大梁汉锋、厦门理工祁正兵，上海交大康琪 Nano Research观点：电化学惰性Al2O3纳米涂层修饰锌负极提升锌离子电池性能

【文章信息】

电化学惰性Al2O3纳米涂层修饰锌负极提升锌离子电池性能

第一作者：王瑞

通讯作者：梁汉锋*，祁正兵*，康琪*

单位：厦门大学，厦门理工学院，上海交通大学

【研究背景】

水系锌离子电池由于其低成本、高的安全性、高能量密度和低的电极电势等优点，在规模化储能应用方面极具潜力。然而，水系锌离子电池的锌负极会产生枝晶生长、腐蚀和析氢等问题，严重影响了电池的库伦效率和循环寿命，是制约其实际应用的关键。相比于电解液优化和锌负极设计，锌负极表面涂层策略既能够同时抑制枝晶生长和副反应的发生，又便于实施操作和易于调控，从而引起学界更为广泛的关注。在多种涂层材料里，氧化物特别是Al2O3因其电化学惰性、高离子电导率、价格低廉和高绝缘性等特点，有望成为一种低廉且有效的锌负极表面涂层材料。

【文章简介】

基于此，来自厦门大学的梁汉锋研究员，厦门理工学院祁正兵副教授和上海交通大学康琪博士团队合作，在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Interface engineering of Zn meal anodes using electrochemically inert Al2O3 protective nanocoatings”的研究论文。

本工作开发了一种利用脉冲磁控溅射法在锌负极表面制备结构可控的Al2O3纳米涂层，以期提升锌离子电池的电化学性能，该方法具有可规模化制备、涂层成分结构可控、无粘结剂使用、涂层/基体结合力强等优点。

原位和非原位的微观结构分析表明：经过优化后的Al2O3纳米涂层具有结构稳定、亲水性好、绝缘性优异、结构致密、离子电导率高和涂层/基底结合力强等特点，有效地抑制了锌负极的腐蚀、析氢和枝晶生长，从而极大提高了锌离子电池的电化学性能。在1 mA cm-2 / mAh cm-2的测试条件下Al2O3纳米涂层改性的锌负极能够稳定循环超过4000 h；即使电流密度提高至10 mA cm-2，Al2O3纳米涂层改性的锌负极仍然可以稳定循环超过1300 h，库伦效率接近100%。该项工作为利用磁控溅射技术制备用于锌负极的氧化物纳米涂层提供了新的思路。

【本文要点】

要点一

在本文中，利用脉冲磁控溅射技术，通过调节溅射时间调控Al2O3纳米涂层的厚度。如图1所示，制备了厚度约为400 nm、结构致密的Al2O3纳米非晶涂层，XPS数据显示Al2O3纳米涂层为化学计量比的氧化铝。SEM和3D激光共聚焦显微镜表征显示Al2O3@Zn电极表面成分分布均匀、结构致密。

图1. Al2O3纳米涂层成分及结构表征

要点二

如图2所示，400 nm厚、结构致密的Al2O3纳米涂层可以显著改善锌负极的循环寿命、倍率性能和库伦效率。相比于bare Zn负极，在测试条件为1 mA cm-2，1 mAh cm-2时，Al2O3@Zn负极对称电池的循环寿命超过4000 h，将测试电流提升至10 mA cm-2，1 mAh cm-2时，Al2O3@Zn负极仍然可以稳定循环超过1300 h；在测试条件为1 mA cm-2，1 mAh cm-2时，Al2O3@Zn负极半电池具有更优异的库伦效率。

图2. 对称电池及半电池电化学性能表征

要点三

如图3所示，原位光学显微镜结果表明在相同的测试条件下，Al2O3@Zn负极在反应后具有更加平整的表面形貌，而bare Zn负极表面由于“尖端效应”，促进大量枝晶的生成。在相同循环条件下，对循环50圈后的Al2O3@Zn负极和bare Zn负极进行SEM和3D激光共聚焦显微镜进行表征，结果表明Al2O3@Zn负极循环后表面较为平整，而bare Zn负极表面枝晶生长较为严重，体现了Al2O3纳米涂层对于锌负极表面枝晶生长具有良好的抑制作用。

图3. 反应过程电极结构原位和非原位表征

要点四

通过水热法成功制备了元素分布均匀的片状V2O5作为正极材料，与Al2O3@Zn负极和bare Zn负极分别组装成全电池进行电化学性能测试。CV曲线显示，Al2O3@Zn//V2O5全电池的还原峰与氧化峰之间的电位差更小，反应可逆程度更高。Al2O3@Zn//V2O5全电池在4 A g-1的测试条件下，循环1000圈后，容量保留率为76.11%，而bare Zn// V2O5电池的容量出现了快速衰减的现象。上述结果证明Al2O3纳米涂层改性能够有效地提升锌负极的循环稳定性。

图4. 全电池性能测试

【文章链接】

Interface engineering of Zn meal anodes using electrochemically inert Al2O3 protective nanocoatings

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4477-1

【通讯作者简介】

梁汉锋 副教授 博导

厦门大学化学化工学院特任研究员(副教授), 博士生导师, 厦门大学南强青年拔尖人才, 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室固定研究人员, 连续 2 年入选世界顶尖 2%科学家榜单(2019, 2020). 长期从事能源化工材料及表面功能涂层的开发和应用, 近五年来以第一作者/通讯作者身份在 Angew. Chem., Adv. Mater., Nano Lett. 等学术期刊发表论文 30 余篇, h 因子 37, 引用 7000 余次, 其中 9 篇论文入选 ESI 高被引论文.

目前担任希腊研究和创新基金会(HFRI)独立评审专家, Frontiers in Materials副编辑, The Innovation (Cell 出版社)及 Tungsten (Springer 出版 社)青年编委, Nanomaterials, Materials, Frontiers in Chemistry编委, Nanomaterials, Frontiers in Chemistry 专刊编辑及50余种国内外学术期刊的独立审稿人.

祁正兵 副教授 硕导

厦门理工学院材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，材料科学与工程系系主任，福建省高校杰出青年科研人才，长期从事涂层/薄膜技术与新材料的开发及应用研究。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金、福建省教育厅人才项目、厦门市科技计划等科研项目10余项。在ACS Energy Letters、Nano Letters、Small、Scripta Materialia等学术期刊上发表论文近60篇，获得授权国家发明专利18项。

【课题组介绍】

厦门大学材料电化学与表面工程（MESE）实验室研究领域涵盖纳米材料、功能涂层和电化学。我们专注于纳米材料和涂层的大规模合成和加工的新方法开发，探索结构-性能之间的关系，以及将这些具备特定结构的功能材料应用于电化学储能、电催化、化学设备和医疗植入产品等领域。

课题组主页：meselab.webflow.io