金属负极有望成为下一代高能量密度电池最终负极材料。然而，金属负极的体积效应及其与电解液的副反应限制着金属负极材料的应用与发展。近日， 华中科技大学孙永明教授团队与 斯坦福大学崔屹教授合作， 通过简单的置换反应设计三维叉指式金属/固态电解质复合电极，实现金属负极在超大电流密度和面积容量（20 mA c m -2 ，20 mAh cm-2）下稳定循环。

近年来，能源转型需要人们以更加清洁可持续的方式发展能源经济。金属二次电池因其能量密度高、寿命长等特点在电动汽车和大型可再生能源存储领域引起广泛关注。金属箔负极（如锂箔或锌箔）具有易加工、可批量等优势，是金属电池中常用的电极形式。例如金属锌箔，由于低成本、高理论容量（820 mAh g-1 ）而成为水系电池负极研究的热点。目前，锌金属电极存在严重的电化学不可逆问题。特别是在大电流密度、高面积容量的严苛条件下，锌金属电极的体积效应和电极副反应（化学腐蚀和电化学析氢）更加严重，限制了其在二次水系电池领域的实际应用。针对上述问题，华中科技大学的孙永明教授团队与斯坦福大学崔屹教授合作利用简单的化学置换反应，制备三维叉指式金属锌/固态电解质电极。独特的三维叉指结构抑制了电极在电化学循环过程中的表观体积变化；固态电解质隔离了活性锌金属与水相电解液，从而抑制副反应；金属锌金属与固态电解质三维叉指复合结构增加了电化学活性表面及载流子传输途径，实现锌金属负极高度可逆。

图1. 叉指式金属（锌）/固态电解质（碱式硫酸铟）电极与电化学性能，图片来源： J. Am. Chem. Soc.

众所周知，置换反应是化学四大基本反应类型之一，其在金属晶界或表面缺陷处的反应速率高于体相。利用这一特性，氯化铟与多晶金属锌箔的置换反应使金属铟沉积在锌箔表面并向体相晶界深处扩散，形成三维叉指式结构。进一步电化学活化后，金属铟被原位氧化为碱式硫酸铟固态电解质，形成叉指式金属锌/固态电解质碱式硫酸铟（Zn/IHS）复合电极。研究发现碱式硫酸铟由无定型超细纳米颗粒组成致密薄膜，锌离子可在颗粒表面处传导。同时，三维叉指式电极结构具有较大的电化学活性比表面。由Zn/IHS电极组装的对称电池在20 mA c m-2 和20 mAh c m-2 测试条件下进行金属锌电化学沉积和溶解循环测试，过电势仅为10 mV，优于目前已报道的所有锌金属电极。此外，研究人员将Zn/IHS负极与MnO 2 正极匹配组装水系全电池，在10 C条件下， Zn/IHS||Mn O 2 电池容量可达100 mAh g-1 ，1000次循环容量保持率为93.9%，远优于传统锌金属电极（相同条件下容量保持率仅为53.6%）。

这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，该论文的完成人为华中科技大学的 蔡钊、 欧阳涛、 张宝、 王金迪、 付林、 万敏涛、 李国成、 王文宇、 蒋建军，清华大学的 王莉，新加坡ASTAR的 Zhi WeiSeh和布鲁克海文国家实验室的 胡恩源、杨晓青，通讯作者为斯坦福大学的 崔屹和华中科技大学的 孙永明。

A Replacement Reaction Enabled Interdigitated Metal/Solid Electrolyte Architecture for Battery Cycling at 20 mA c m-2 and 20 mAh c m-2

Zhao Cai, Yangtao Ou, Bao Zhang, Jindi Wang, Lin Fu, Mintao Wan, Guocheng Li, Wenyu Wang,Li Wang, Jianjun Jiang, Zhi Wei Seh, Enyuan Hu, Xiao-Qing Yang, Yi Cui,* Yongming Sun*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11753

孙永明教授简介

孙永明，博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目，《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单。孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池、锌金属电池等）等方向的科学研究。孙永明教授在新型储能材料与技术相关领域取得了一系列突出成果，在 Science, Nature Energy, Nature Nanotechnology 等知名国际期刊发表论文60余篇。其中发表第一作者或通讯作者论文30+篇，包括 Nature Energy （2篇）、 Nature Communications （1篇）、 Journal of the American Chemical Society （1篇）、 Advanced Materials （3篇）、 Energy & Environmental Science （1篇）、 Joule （1篇）、 Chem （1篇）、 Nano Letters （5篇）、 ACS Nano （2篇）、 Advanced Energy Materials （1篇）、 Advanced Functional Materials （2篇）、 Energy Storage Materials （5篇）、 Nano Energy （1篇）、 Nano Research （2篇）等。此外，获得授权/申请国内外专利10余项目。据google scholar, 所发论文引用超过11800次，H因子为47。

孙永明

https://www.x-mol.com/university/faculty/75299

崔屹

https://www.x-mol.com/university/faculty/35078

本文版权属于 X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！