唐有根-王海燕课题组：锌金属能源界面调控的最新研究成果

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化学化工学院唐有根、王海燕团队关于锌金属能源界面调控的最新研究成果在化学类国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed. (IF=12.1)上发表，并被选为封面文章，论文题目为“Insights into Three-dimensional Dendrite-free Zinc Anode on Copper Mesh with Zinc-oriented Polyacrylamide Electrolyte Additive” (DOI: 10.1002/anie.201907830)。该工作在王海燕副教授与唐有根教授共同指导下完成，中南大学为第一单位，王海燕副教授为通讯联系人，2017级博士生张旗为论文第一作者。

       锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，已广泛应用于便携式设备和电动汽车。然而，原料成本的不断上涨和可燃性的有机电解质带来的安全问题限制了其进一步发展。高能的金属能源，如锌与铝，具有比能量密度高，资源丰富，成本低廉的优势，可以构筑多种电池体系。其中，水系锌离子电池具有天然丰度高、离子电导率高等优点，被认为是一种可替代锂离子电池的低成本、高安全性的储能系统，近年来受到了广泛关注。与锂负极类似，锌枝晶的形成会导致循环稳定性差，库仑效率低等问题，严重限制了锌负极的实际应用。
       基于此，该团队提出了一种基于亲锌性铜网骨架和Zn2+导向作用的聚丙烯酰胺(PAM)电解质添加剂制备无枝晶锌负极的协同改性策略。铜网不仅可以为锌负极提供结构支撑，而且可以通过原位形成的Cu-Zn固溶体促进锌的均匀成核，PAM上的酰基对锌离子具有较强的选择性吸附作用，锌离子可以沿聚合物链转移在电极表面呈均匀分布。密度泛函理论(DFT)计算证明了Cu-Zn固溶体和PAM对锌沉积的积极作用。制备的锌负极在较宽的电流密度范围内(0.2~20 mA cm−2)均表现出无枝晶的形貌，并利用PAM改性后的活化界面显著提高了循环稳定性。制备的锌阳极在高放电容量4 mAh cm−2(放电深度=80%)时，在对称电池中可稳定循环280 h，并具有低电压滞后（93.1 mV），电化学性能显著提高。组装成的Zn/MnO2电池，在1 A g−1的电流密度下，可以循环600次。
       上述工作获得了国家自然科学基金项目（编号21671200，21571189），湖南省科技计划项目（2017TP1001），湖南省科技重大专项（2017GK1040），湖湘青年英才和中南大学“升华育英计划”等基金和人才项目的支持。




       锌一次性电池早在1930年代就已经商业化，但要将锌负极应用于可充式电池却遭遇到许多挑战。锌电极在充放电过程中同时有多个反应进行(如反应(1)至反应(4))，并不像是传统锂电池中的嵌入/脱嵌反应。锌电极在放电的过程中，锌金属会形成Zn(OH)42-离子溶解于电解液中，并且电极表面会形成不具导电特性的ZnO；在充电的过程中Zn(OH)42-和ZnO并不能有效地形成锌金属重新长回锌电极上。因锌电极复杂的反应，导致在电化学反应过程中造成枝晶结构的形成、电极表面形貌改变、钝化层生成以及氢气产生反应，使得锌负极难以实现于可充式电池中。




       王海燕，博士，副教授，男，1983年生，湖南涟源人。中南大学“升华育英”学者，中南大学材料微结构研究所特聘研究员，化学电源湖南省重点实验室副主任，中国仪表功能材料学会“储能与动力电池及其材料专业委员会”副秘书长，湖南省先进电池材料及电池产业技术创新战略联盟副秘书长。入选全国2015年“香江学者”，入选湖南省首届“我最喜爱的青年教师”和第十四届湖南省青年化学化工奖。2012年博士毕业于中南大学并留校任教，导师陈立泉院士，黄可龙教授。曾获国家公派留学英国University of St. Andrews，合作导师英国皇家科学院院士Peter. G Bruce教授。近几年一直从事能源材料化学和应用电化学的基础研究，目前已发表学术论文90余篇，其中以第一或通讯作者在Energy&Environmental Science (IF=29.5), Advanced Materials(19.7), Advanced Energy Materials(IF=16.7), Nano Energy(IF=12.3), J. Mater Chem A, Energy Storage Materials, Nanoscale, Chem. Comm, ACS Appl Mater Interfaces, J. Power Sources等国内外知名期刊发表论文70余篇，其中入选ESI全球高引论文5篇，论文已被他引1440多次，H-index为24。申请国家发明专利9项，已授权8项。获得2017年重庆市科技进步一等奖和天津市科技进步三等奖。


       唐有根, 男，1962年10月出生，湖南涟源人，汉族，博士。现任中南大学二级教授、博士生导师，化学电源与材料研究所所长，金属燃料电池工程技术中心专家组组长，国家科学技术奖和国家科学基金项目评审专家，中国储能与动力电池及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长，中国仪表材料学会常务理事，中国氢能专业委员会常务理事，中国电池工业协会理事，《功能材料》和《工业电池》编委。主要从事先进电池、新能源材料和应用电化学等方面的教学、科研和开发工作。以材料学、电化学和表面化学为基础，研究化学电源及关键材料的设计、制备和评价方法。承担10余项国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、国家自然科学基金项目和企业重大招标与技术转让等项目，科研经费2000多万元。先后荣获省部级科技进步奖12项，获国家发明专利8项。出版专著和教材5部，在国内外重要期刊上发表学术论文300余篇，Ei和Sci检索论文150多篇。主讲本科生和研究生课程12门，指导硕士、博士研究生70多名。获2000年宝钢教育基金优秀教师奖和2014年鑫恒教育基金优秀教师奖。