【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，機電工程學(xué)院航空宇航制造工程系楊立軍教授團隊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《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。該工作是一項涉及機械-材料-化學(xué)科學(xué)的交叉學(xué)科研究，為高性能鋅基儲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)動下，枝晶的不可控生長增加了電極/電解液的接觸面積，將進一步加劇腐蝕/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)極對水系鋅離子電池的商業(yè)化具有重要意義。
 

　　針對上述問題，團隊提出了鋅負(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，實現(xiàn)了高性能鋅基儲能器件的新設(shè)想。團隊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層的雙功能周期性微納結(jié)構(gòu)。實驗和模擬結(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，實現(xiàn)鋅離子的均勻沉積，抑制腐蝕和副反應(yīng)。亞表層位錯層能夠增強電極/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，亞表層位錯層可以降低應(yīng)力集中并促進電子轉(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)合了表面保護層和亞表面位錯層，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，驗證了其在實際應(yīng)用中的可行性，同時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)極沉積形貌及機理研究
 

周期性微納結(jié)構(gòu)鋅負(fù)極電化學(xué)性能及實際應(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研究計劃、國家自然科學(xué)基金與中國博士后科學(xué)基金等項目資助。