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水系锌离子电池负极表面刻蚀调控及电化学性能研究认领

作者：

童庄

学位授予单位：

湖南理工学院

摘要：

因其成本低廉、环境友好等特性,水系锌离子电池(Aqueous Zinc-Ion Batteries,AZIBs)在大规模储能领域具有重要应用前景。然而,目前的商业锌片未经调整或修饰的表面结构,使Zn^(2+)的不均匀沉积成为必然,从而导致锌负极表面出现枝晶生长,并导致析氢、钝化等副反应。在锌负极表面覆盖物理涂层,可实现锌负极一定程度的性能改善,但一方面施工工艺复杂,另一方面还存在界面结合力弱、微观调控不足等问题。本研究创新性地采用有机酸化学刻蚀法对锌负极进行多维度表面改性。通过优化刻蚀工艺参数,实现了锌负极表面形貌重构、晶面择优取向调控及晶界缺陷修饰的逐层优化,同时原位形成了多功能界面保护层。该改性策略既可促进Zn^(2+)均匀沉积,又降低了电解液对锌基体的腐蚀,抑制析氢反应,从而有效提升了负极的循环稳定性与库仑效率。本研究为锌金属负极的表面工程提供了新的研究思路,对推动水系锌离子电池实用化发展具有理论指导意义,主要研究成果如下:(1)采用乙酸刻蚀对商业锌片进行表面形貌重构,构建了表面覆盖多功能保护层的三维片状AcOH@Zn电极。该结构为Zn^(2+)提供了丰富的活性位点,显著优化了Zn^(2+)的通量,降低了成核过电位,提升了沉积效率,同时,形成的界面保护层有效防止了水分子与锌负极的直接接触。该电极在0.5 mA cm^(-2)条件下循环寿命达2710 h,优于商业锌负极的119 h。全电池在0.5 A g^(-1)条件下初始容量为317.4 mAh g^(-1),400次循环后仍保持236.8 mAh g^(-1)的放电比容量,容量保持率达74.61%。(2)采用谷氨酸刻蚀对商业锌片进行晶面取向调控,成功制备了以(002)晶面为主的Glu@Zn负极,实现了最高的I_((002)):I_((101))强度比,其特有的低表面能特性、结合界面保护层的协同作用,实现了Zn^(2+)无枝晶沉积,并有效抑制了副反应发生。实验结果证实,对称电池在0.5mAcm^(-2)条件下,循环超4400 h,库伦效率仍达98.9%。在0.5 Ag^(-1)下400次循环后,全电池的比容量达291.6mAh g^(-1),商业锌电池仅102 mAhg^(-1)。(3)采用琥珀酸对商业锌片进行优化改性研究,制备了晶界修饰型SA@Zn负极。该方法暴露了基体晶界并改善了晶界缺陷,实现了锌负极的沉积行为与界面稳定性的优化。多尺度表征显示,酸刻蚀后,SA@Zn电极表面形成的化合物作为界面层,优先聚集于晶界区域,显著提升了电极的热力学稳定性,优化了Zn^(2+)沉积/剥离行为并抑制晶间腐蚀。对称电池在1 mAcm^(-2)条件下,可稳定循环6920h,实现了性能的显著提升。5Ag^(-1)条件下,2000次循环后,全电池仍有157.2 mAhg^(-1)的放电比容量,是商业锌电池的6倍。

摘要译文

关键词：

水系锌离子电池; 锌负极; 表面形貌重构; 晶面取向调控; 晶界缺陷修饰

学位年度：

2025

学位类型：

硕士

学科专业：

化学工程与技术

导师：

侯朝辉

中图分类号：

TM912[蓄电池⑨]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.27906/d.cnki.gnghy.2025.000157