Low Strain Mediated Zn (0002) Plane Epitaxial Plating for Highly Stable Zinc Metal Batteries

材料科学 成核 外延 化学工程 电镀(地质) 阳极 冶金 结晶学 复合材料 化学 图层(电子) 地质学 物理化学 地球物理学 有机化学 电极 工程类
作者
Da Zhang,Yumin Chen,Xunwen Zheng,Pingxuan Liu,Ling Miao,Yaokang Lv,Ziyang Song,Lihua Gan,Mingxian Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202500380
摘要

Optimizing the crystalline orientation of Zn anode to achieve stable Zn (0002) plane growth is pursued for highly reversible zinc metal batteries (ZMBs). However, the lattice strain of Zn substrate hinders stable Zn2+ plating/stripping and sustainable epitaxial growth of Zn (0002) texture. Herein, we present a low strain strategy to mediate nucleated‐Zn grains for stabilizing Zn2+ electrodeposition/stripping process and guiding sustainable Zn2+ growth along (0002) surfaces. Fluorinated anthracene triptycene polymer (FATP) photopolymerized on Zn exhibits nanocrystalline structure with highly ordered nanochannels (1.5 nm), enabling oriented nucleation and sustainable epitaxial stacking of Zn (0002) plane due to low nucleation energy (0.2 vs. 1.1 e−/Å3 of pure Zn) and low grain strain (−0.2 to 0.4 vs. −0.9 to 0.9 MPa). Besides, the ordered porous FATP nanofilm refines electroplating Zn grains (9.4 vs. 26.7 μm), alleviating strain accumulation (3.7 vs. 28.2 MPa) and lattice distortion. Consequently, FATP‐Zn||Cu cell achieves a high average Coulombic efficiency of 99.6% over 6000 cycles, while FATP‐Zn||FATP‐Zn cell shows stable plating/stripping after 5000 h. Notably, FATP‐Zn||MnO2 pouch cell (2.77 Ah) demonstrates stable operation over 1000 cycles. This work presents a new approach to designing Zn anodes with refined nucleated‐Zn grains and sustainable Zn (0002) plane stacking for advanced ZMBs.
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