Ultrafast laser one-step construction of 3D micro-/nanostructures achieving high-performance zinc metal anodes

材料科学 成核 过电位 法拉第效率 纳米结构 阳极 电镀(地质) 纳米技术 化学工程 冶金 电化学 化学 电极 有机化学 物理化学 工程类 地质学 地球物理学
作者
Yanan Liu,Ye Ding,Zeping Liu,Xingchen Li,Sichao Tian,Lishuang Fan,Jichang Xie,Liangliang Xu,Jinwoo Lee,Jian Li,Lijun Yang
出处
期刊:PhotoniX [Springer Nature]
卷期号:5 (1) 被引量:55
标识
DOI:10.1186/s43074-024-00122-x
摘要

Abstract Aqueous zinc-ion batteries provide a most promising alternative to the existing lithium-ion batteries due to their high theoretical capacity, intrinsic safety, and low cost. However, commercializing aqueous zinc-ion batteries suffer from dendritic growth and side reactions on the surface of metallic zinc, resulting in poor reversibility. To overcome this critical challenge, here, we report a one-step ultrafast laser processing method for fabricating three-dimensional micro-/nanostructures on zinc anodes to optimize zinc nucleation and deposition processes. It is demonstrated that the three-dimensional micro-/nanostructure with increased specific surface area significantly reduces nucleation overpotential, as well as preferentially absorbs zinc ions to prevent dendritic protuberances and corrosion. As a result, the presence of three-dimensional micro-/nanostructures on the zinc metal delivers stable zinc plating/stripping beyond 2500 h (2 mA cm -2 /1 mAh cm -2 ) in symmetric cells, a high Coulombic efficiency (99.71%) in half cells, and moreover an improved capacity retention (71.8%) is also observed in full cells. Equally intriguingly, the pouch cell with three-dimensional micro-/nanostructures can operate across various bending states without severely compromising performance. This work provides an effective strategy to construct ultrafine and high-precision three-dimensional micro-/nanostructures achieving high-performance zinc metal anodes and is expected to be of immediate benefit to other metal-based electrodes.
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