不同金属基底改性Zn负极的电化学性能研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.06.008

摘要/Abstract

摘要：

将经过熔炼、锻造、打磨和抛光的金属Ni、Cu、Sn、In、Ti作为Zn负极的基底，制备了水系Zn离子电池。运用XRD、SEM、原位光学显微镜和电化学表征技术，分析了不同基底上的析氢速率、Zn在不同基底上的沉积/溶解行为、电偶腐蚀程度以及循环性能。结果表明，Sn和In不仅能够抑制Zn与基底之间引起的副反应，而且具有优异的亲Zn性能，但Zn在Sn基底表面沉积的形貌受Sn晶面的影响较大，In更适宜用作Zn负极的基底。

关键词: 基底, 改性Zn负极, 副反应, Zn枝晶, 水系Zn离子电池

Abstract:

This paper used metals (Ni,Cu,Sn,In and Ti) after smelting,forging,grinding,and polishing as substrates of Zn anode for aqueous Zn?ion batteries.In addition,the paper adopted XRD,SEM,in?situ optical microscope,and electrochemical characterization techniques to analyze hydrogen evolution rate in different substrates,Zn deposition/dissolution behaviors,galvanic corrosion,and cycling performance in different substrates.The results show that Sn and In can not only inhibit the side reactions caused by the contact between Zn and substrates，but also have excellent Zn?philic properties. However, the morphology of Zn deposition on Sn substrate surfaces is greatly affected by Sn crystal planes.In contrast,In is more suitable for the substrate of the Zn anode.

Key words: Substrates, Modified Zn anodes, Side reactions, Zn dendrite, Aqueous Zn?ion batteries

中图分类号:

TQ152

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图/表 14

图1 Ni、Cu、Sn、In、Ti的XRD谱图

Fig.1 XRD patterns of Ni,Cu,Sn,In and Ti

图2 Ni、Cu、Sn、In、Ti的线性扫描伏安曲线

Fig.2 LSV curves of Ni, Cu, Sn, In and Ti

图3 Zn沉积在不同基底上的电压曲线

Fig.3 Voltage profiles of Zn deposition on various substrates

图4 通过光学显微镜原位观察的Zn在Ni、Cu、Sn、In、Ti上的沉积?溶解过程

Fig.4 In?situ optical microscopy observations of the Zn plating and stripping process on Ni,Cu,Sn,In and Ti

图5 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Sn、Zn/In、Zn/Ti的XRD谱图

Fig.5 XRD patterns of Zn/Ni,Zn/Cu,Zn/Sn,Zn/In and Zn/Ti

图6 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Ti、Zn/Sn、Zn/In的SEM图

Fig.6 SEM images of Zn/Ni, Zn/Cu, Zn/Ti,Zn/Sn and Zn/In

图7 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Sn、Zn/In、Zn/Ti的极化曲线

Fig.7 Polarization curves of Zn/Ni, Zn/Cu, Zn/Sn, Zn/In and Zn/Ti

表1 改性Zn负极在1 mol/L的Na2SO4溶液中的腐蚀参数

Table 1 Parameters for the corrosion of modified Zn anodes in 1 mol/L Na2SO4 solution

改性Zn负极	E_corr(vs.SCE)/mV	i_corr/(μA $⋅$ cm^-2)	β_c
Zn/Ni	-1.313 2	91.940	22.75
Zn/Cu	-1.262 6	624.360	77.16
Zn/Sn	-1.161 4	123.776	211.92
Zn/In	-1.120 4	82.008	229.97
Zn/Ti	-1.222 9	58.696	128.65

表1 改性Zn负极在1 mol/L的Na2SO4溶液中的腐蚀参数

Table 1 Parameters for the corrosion of modified Zn anodes in 1 mol/L Na2SO4 solution

改性Zn负极	E_corr(vs.SCE)/mV	i_corr/(μA $⋅$ cm^-2)	β_c
Zn/Ni	-1.313 2	91.940	22.75
Zn/Cu	-1.262 6	624.360	77.16
Zn/Sn	-1.161 4	123.776	211.92
Zn/In	-1.120 4	82.008	229.97
Zn/Ti	-1.222 9	58.696	128.65

图8 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Sn、Zn/In、Zn/Ti组装的对称电池的循环稳定性

Fig.8 Cycling stabilities of the symmetrical cells with Zn/Ni,Zn/Cu,Zn/Sn,Zn/In,Zn/Ti

图9 改性的Zn负极组装的对称电池在循环1圈和50圈后的阻抗图

Fig.9 Nyquist plots of the symmetrical cells with modified Zn anodes after 1 cycle and after 50 cycles

表2 改性的Zn负极在循环1圈和50圈时的电荷转移阻抗

Table 2 Charge transfer resistance Rct of modified Zn anodes after 1 and 50 cycles

改性Zn负极	R_ct/Ω
改性Zn负极	循环1圈	循环50圈
Zn/Ni	27.34	240.76
Zn/Cu	11.95	150.49
Zn/Sn	4.91	13.25
Zn/In	0.65	0.75
Zn/Ti	8.29	45.94

图10 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Sn、Zn/In、Zn/Ti电极循环50圈后的XRD谱图

Fig.10 XRD patterns of Zn/Ni,Zn/Cu,Zn/Sn,Zn/In and Zn/Ti after 50 cycles

图11 Zn/Ni、Zn/Cu、Zn/Ti、Zn/In、Zn/Sn电极循环50圈后的SEM图

Fig.11 SEM images of Zn/Ni, Zn/Cu, Zn/Ti,Zn/In and Zn/Sn electrodes after 50 cycles

图12 循环50圈后的Zn/Sn和Zn/In电极的扫描电镜图像和相应元素分布图

Fig.12 SEM images and corresponding elemental mappings of Zn/Sn and Zn/Sn electrodes after 50 cycles

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