摘要：近年来，锌粉阳极因其在用量灵活、可加工性强和成本经济等方面的独特优势，成为锌离子水溶液电池(AZIBs)的研究热点。然而，锌粉阳极仍面临着严重的枝晶生长和副反应等重要挑战。Ti3C2Tx MXene改性锌粉阳极(MXene@Zn-p)已经证明了抑制枝晶生长的独

研究背景

近年来，锌粉阳极因其在用量灵活、可加工性强和成本经济等方面的独特优势，成为锌离子水溶液电池(AZIBs)的研究热点。然而，锌粉阳极仍面临着严重的枝晶生长和副反应等重要挑战。Ti3C2Tx MXene改性锌粉阳极(MXene@Zn-p)已经证明了抑制枝晶生长的独特作用，从而提高了界面稳定性。然而，Ti3C2Tx MXene赋予的亲水性，且与锌粉之间的结合力不足，导致MXene@Zn-p在长期循环过程中不可避免地失效，从而降低了电池的稳定性和循环寿命。尽管如此，MXene材料的亲水性及其与锌粉之间的结合力对阳极稳定性的负面影响，迄今为止在相关文献中未得到足够重视。因此，为了全面提升电池性能，亟需通过合理设计和优化界面结构与成分，进一步改善锌粉阳极的性能。

研究内容

为解决这一问题，本研究引入二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)作为双功能电极增强剂，通过静电自组装在锌粉复合阳极上构建紧密的疏水界面，有效解决了MXene与锌粉之间的弱粘附性和亲水性问题。所获得的锌粉复合阳极成功抑制了枝晶生长和腐蚀效应，实现了长期的界面稳定性。DFT和COMSOL模拟进一步验证了DMDAAC在促进均匀锌沉积中的关键作用。因此，设计的阳极在1 mA cm-2下循环300次后，达到了99.2%的库仑效率。该复合锌粉阳极的对称电池在1 mA g-1和1 mA h g-1持续循环300小时，相较于MXene改性锌粉电池，寿命延长了233 h。锌粉复合材料与两种不同的阴极组装的全电池也表现出了卓越的高容量保持率和循环稳定性(与MnVO组装的全电池在5 A g-1条件下循环200次后，容量保持率为89.8%；与MnO2组装的全电池电池在1 A g-1下循环1000次后，容量保持率达82.2%)。这项研究为实现高稳定性的锌粉复合阳极提供了有效的策略，推动了水性锌离子电池的商业化进程。

其研究成果以“A Dual-Functional DMDAAC Electrode Enhancer with Hydrophobic Effect for Highly Stable Zn Powder Composite Anode”为题发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上。本文第一作者为东北电力大学博士生唐文英，通讯作者为东北电力大学张兰河&刘杨教授。

研究亮点

⭐双功能添加剂DMDAAC通过静电自组装在锌粉复合阳极上形成紧密的疏水界面，同时有效解决了MXene和锌粉的弱粘附性和亲水性问题。

⭐综合实验和理论计算表明，DMDAAC在抑制枝晶生长和副反应方面起着关键作用。

⭐与没有DMDAAC的对照锌粉阳极相比，该策略显著提高了半电池和全电池的循环稳定性。

图1. DDA-MXene@Zn-p负极的结构设计和微观形貌

(a) 静电自组装法合成DDA-MXene@Zn-p样品的制备流程；(b) 锌粉的粒度分布和SEM图；(c) Ti3C2TxMXene 纳米片的SEM图，插图显示了Ti3C2TxMXene分散液具有丁达尔效应；(d)单个少层Ti3C2TxMXene纳米片的AFM图；(e) MXene、DMDAAC和DDA-MXene@Zn-p 的Zeta电位及反应前后变化；(f) DDA-MXene@Zn-p 的SEM图及对应(g) EDS图。

图2. DDA-MXene@Zn-p的结构特性

(a) MXene、MXene@Zn-p、DDA-MXene@Zn-p 和 DMDAAC 的FT-IR图；(b) XRD图；DDA-MXene@Zn-p的 (c)Zn 2p (d) O 1s (e) C 1s；(f) Ti 2p的XPS光谱；(g) DDA-MXene@Zn-p 的全 XPS 光谱。

图3. 不同锌粉负极组成半电池的电化学性能

(a) 2M ZnSO4电解液滴加在Zn-p、MXene@Zn-p 和 DDA-MXene@Zn-p 电极上的接触角；(b) Tafel 曲线； (c) EIS 图；(e)库仑效率；(f) 倍率性能；(g) 在 0.5 mA cm-2 和 0.5 mA h cm-2 下对称电池的恒流充放电曲线；(h) 1 mA cm-2 和 1 mA h cm-2下对称电池的恒流充放电曲以及 (i) DDA-MXene@Zn-p的电压放大曲线。

图4. 不同锌粉负极界面的锌沉积机制

(a) COMSOL 模拟的 t=50s 时 Zn-p 阳极沉积过程的电流密度分布；(b) ) Zn-p、(c) MXene@Zn-p 和 (d) DDA-MXene@Zn-p 在Zn (002)表面上的吸附模型；(e) DDA-MXene@Zn-p 在 Zn (100) 和 (f) Zn (101) 表面上的吸附模型；(i) 在锌不同晶面上的吸附能；(j) 循环后的XRD 图及其对应 (k) SEM图。

图5. 全电池的电化学性能

(a) 阳极和阴极全电池的结构设计。(b) CV曲线；(c)EIS图；(d)倍率性能；(e) MnVO|Zn-p、MnVO ||MXene@Zn-p和MnVO||DDA-MXene@Zn-p在电流密度为5 A·g-1下的循环性能和库仑效率；(f)与MnO2组成的全电池在1A·g-1下的长循环性能；(g)MnO2||DDA-MXene@Zn-p的倍率性能。

研究结论

总之，采用电自组装方法引入DMDAAC作为双功能添加剂用于MXene@Zn-p的改性，成功设计出了一种具有更高稳定性的新型DDA-MXene@Zn-p阳极。DMDAAC的引入不仅通过静电作用增强了MXene与锌粉之间的粘附力，还通过界面修饰形成了疏水保护层。半电池测试中的Tafel、SEM和XRD分析表明，DDA-MXene@Zn-p阳极能有效抑制枝晶生长和副反应。结果显示，DDA-MXene@Zn-p|||Ti电池在1 mA cm⁻²的电流密度下，以较低的过电位(~35.1 mV)稳定运行300 h，达到了99.2%的库仑效率。值得注意的是，DDA-MXene@Zn-p阳极在不同电流密度下都表现出卓越的稳定性，明显优于Zn-p和MXene@Zn-p阳极。此外，DFT和COMSOL理论计算表明，DMDAAC能够增强对锌的吸附，降低局部电流密度，促进锌的均匀沉积。与MnVO||DDA-MXene@Zn-p和MnO2||DDA-MXene@Zn-p全电池组装时，由于DMDAAC在促进锌的均匀沉积方面的作用，改性阳极显著改善了容量保持率和循环稳定性。极少量的DMDAAC添加剂便能有效提高锌阳极界面的稳定性，为锌粉与其他MXene材料的结合提供了一种新的改性策略。

文献信息

Wenying Tang, Lanhe Zhang*, Yang Liu*, Sen Wang, Jian Zhang. A dual-functional DMDAAC electrode enhancer with hydrophobic effect for highly stable Zn powder composite anode. Energy Storage Materials, 76 (2025): 104127.

来源：肖潇科技天地