中國科大在水系鎳金屬負(fù)極研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院陳維課題組聯(lián)合楊金龍?jiān)菏亢屠钚切钦n題組團(tuán)隊(duì)，在國際期刊Advanced Materials發(fā)表了題為“Anions Regulation Engineering Enables Highly Reversible and Dendrite-Free Nickel Metal Anode with Ultrahigh Capacities”的研究型論文。論文探究了不同陰離子對(duì)于水系電解液中金屬Ni沉積溶解的影響，通過電解質(zhì)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了過渡金屬Ni的超高容量、無枝晶和高度可逆的沉積溶解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，氯離子能夠抑制金屬Ni表面Ni(OH)2鈍化層的形成。進(jìn)而在半電池中實(shí)現(xiàn)了1000mAhcm-2的超高面容量，并能在低面容量下實(shí)現(xiàn)15000次的循環(huán)壽命。開發(fā)了一系列Ni-MnO2和Ni-PbO2全電池，展現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

過渡金屬Ni由于其無枝晶特性而廣泛應(yīng)用于電鍍行業(yè)。此外，作為一種金屬負(fù)極，Ni具有-0.25 V vs. SHE 的氧化還原電位，8136 mAh cm-3的理論體積容量以及高達(dá) 913 mAh g-1的理論質(zhì)量比容量。這些具有吸引力的電化學(xué)性能結(jié)合金屬Ni展現(xiàn)出的無枝晶特性，使得Ni成為金屬負(fù)極的理想候選者之一。然而，與工業(yè)上成熟的電鍍Ni技術(shù)相比，金屬Ni的可逆沉積溶解目前鮮有報(bào)道。這主要是由于缺乏有效的水系電解液所致。因此，對(duì)水系Ni金屬負(fù)極的可逆電鍍/剝離進(jìn)行全面研究非常關(guān)鍵。而且可以預(yù)見，鑒于金屬Ni的以上優(yōu)點(diǎn)，新型水系Ni金屬負(fù)極對(duì)于水系金屬電池的發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景。

本工作在對(duì)常見金屬Ni鹽進(jìn)行探究后發(fā)現(xiàn)，只有在NiCl2電解液中，才顯示出典型的金屬沉積溶解電化學(xué)曲線 (圖1)。并且在該電解液中，金屬Ni可以在半電池中展現(xiàn)出優(yōu)異的沉積溶解可逆性，在低面容量0.5mAhcm-2時(shí)，金屬Ni可以實(shí)現(xiàn)最高15000次的穩(wěn)定沉積溶解。而將面容量進(jìn)一步提高時(shí)，金屬Ni可以在高達(dá)1000mAhcm-2的情況下實(shí)現(xiàn)99.42%的庫倫效率，超過目前所報(bào)道的金屬負(fù)極大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。并且在這種超高面容量下，金屬Ni也展現(xiàn)出無枝晶的特性，為其后續(xù)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。最后，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算，結(jié)合高分辨透射電鏡等表征，揭示了氯離子可以抑制金屬鎳表面氫氧化鎳鈍化層的形成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可逆金屬Ni沉積溶解的反應(yīng)機(jī)理。最后，Ni-MnO2全電池可以在低面容量下實(shí)現(xiàn)2000次的穩(wěn)定循環(huán)，Ni-PbO2全電池展現(xiàn)出最高1.8V的放電平臺(tái)和200mAhcm-2的高面容量 (圖2)，進(jìn)一步說明了水系Ni金屬電池的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1.金屬Ni在不同電解液中電化學(xué)行為性質(zhì)差異以及在NiCl2中電化學(xué)性能展示。

圖2.水系Ni金屬電池的電化學(xué)性能展示。

近年來，陳維教授課題組致力于儲(chǔ)能電池的研究和應(yīng)用開發(fā)，已在金屬離子電池儲(chǔ)能體系（Nat. Commun.14 (2023) 76,Angew. Chem. Int. Ed.(2023) e202214966;Adv.Mater.34(2022) 2203249;Adv.EnergyMater.(2023)2301322,Adv.EnergyMater.12 (2022)2103352;Adv.Energy Mater.12(2022)2103705;Adv.Energy Mater.5 (2021) 2002904;eScience1 (2021) 178-185）和氫氣二次電池儲(chǔ)能體系（Chemical Reviews122 (2022) 16610-16751;Nat. Commun.13 (2022) 2805;J. Am. Chem. Soc.143(2021) 20302-20308;Adv.Mater.(2023)2300502,JACS Au3(2023) 488-497;ACS Nano,17(2023) 7821-7829,Adv. Funct. Mater.31 (2021) 2101024;Energy Storage Mater.42 (2021) 464-469;Nano Lett.20 (2020) 3278-3283）等研究方向取得了一系列重要的階段性成果。