生物分子引导的无枝晶金属负极阳离子调节

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锂（Li）或锌（Zn）金属负极由于其高理论容量和低氧化还原电位而引起了电池研究的广泛关注。然而，不可控的枝晶生长，特别是在大电流（>4 mA cm^-2）下，阻碍了具有高负荷（>4 mAh cm^-2）锂或锌金属电池的可逆循环。

近日，加拿大滑铁卢大学P. Chen报道了在负极和AGM隔膜之间将水解胶原蛋白（CH）均匀涂覆在吸附玻璃垫上的（CH@AGM）可以诱导类似于冲击电沉积，从而在根本上稳定了金属负极，并抑制了具有高面积容量的锂和锌金属电池中枝晶的形成。

文章要点

1）研究发现CH在水溶液和有机电解质中都具有表面负电荷，这使得CH@AGM在超限电流下能够在随机的带电多孔介质中实现表面导电和去电离冲击，从而促进了Li⁺（Zn²⁺）的均匀沉积。此外，CH与Li⁺（Zn²⁺）的结合进一步分散了阳离子在整个金属负极表面的分布，从而引导了金属沿负极表面/水平方向的沉积，并显著地稳定了Li（Zn）的生长。这种在金属电沉积中的叠加调节效应可在高电流密度下产生无枝晶的金属沉积，并能构建具有稳定循环Li（Zn）金属负极与高负载正极[LiMn₂O₄（LMO）]耦合的锂（锌）金属电池。

2）与具有24 mAh cm^-2正极面容量的电池在1 C下锂（锌）负极分别只能循环10次（100次）相比，利用CH@AGM组装成的锂（锌）全电池在水溶液和有机电解液中均可循环600次，没有枝晶穿孔，循环库仑效率高达99.7%。

3）这种基于生物分子的枝晶抑制方法可以简单地推广到商业大容量电池系统。在5 Ah和200 Ah的水系锌电池中，分别实现了6400次100%放电循环。