This paper discusses the dendrite-free Zn anode for long-term cycle stability of Alkaline Zn batteries. A unique Zn-Cu alloy NP@NC is synthesized through solution synthesis and heat treatment. The Cu precursor was inserted in ZIF-8 by simple drop-casting. Heat treatment allowed for ZIF-8 and Zn, Cu species to transform into N-doped carbon (NC) and Zn-Cu solid solution respectively, enhancing overall electrochemical performance. The as-prepared Zn-Cu alloy NP@NC is characterized by Powder X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET), and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Then the symmetric cell was assembled to verify plating/stripping behavior. Electrode evaluation was performed by cycle test in high-pH environment. The Zn-Cu alloy NP@NC exhibited remarkable electrochemical performance compared with that of the bare Zn foil. It stably operated over 500 h, while short circuit occurred only after 25 h for bare Zn foil. In order to demonstrate the excellent cycle stability of Zn-Cu alloy NP@NC, characterization of electrode was conducted after cycle test. Furthermore, DFT calculation supports the fundamental principle of excellent cycle performance for Zn-Cu alloy NP@NC. The outstanding electrochemical behavior is ascribed to mainly two points. First one is that well-distributed sub-nano size Zn-Cu alloy nanoparticles (NPs) derived low-energy barrier Zn nucleation sites. Second one is the abundant micro-, mesoporous N-doped carbon structure acted as an ion-sieving mesh and enabled redox ions to diffuse easily. As a result, our electrode, Zn-Cu alloy NP@NC lead to stable and smooth Zn plating in high-pH electrolyte. This paper shows the promising methodology for designing anode material to realize long-term cycle stability of rechargeable Alkaline Zn batteries.
이 논문에서는 아연 알칼리 전지에서 아연 침상 성장 억제가 가능한 전극에 대해서 다루고 있다. 아연 구리 합금 나노 입자가 질소가 도핑된 탄소 구조체 내부에 합성되었다. 합성된 재료는 XRD, SEM, TEM, BET, XPS를 통해 물리화학구조가 분석되었다. 그리고 이의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 전극이 대칭된 전지를 조립하여 높은 pH의 전해질 하에서 사이클 테스트를 진행하였다. 합성된 재료는 아연 호일이 전극으로 사용된 경우에 비해 우수한 전기화학적 성능을 보였다. 아연 호일이 25 시간 이후에 단락이 일어난 반면에, 합성된 재료는 500 시간 이상 충전 및 방전이 진행됨에도 안정적인 전기화학 거동을 보였다. 이의 우수한 사이클 특성을 입증하기 위해 충전 및 방전 후 전지를 분해하여 전극의 물리화학적 구조를 분석하였다. 또한 DFT 시뮬레이션 계산을 통해 우수한 전기화학적 특성을 이론적으로 해석하였다. 해당 재료의 우수한 충전 및 방전 특성은 크게 2가지로 해석될 수 있다. 첫 번째는 수 나노 크기의 아연 구리 합금 나노 입자가 아연 핵 생성 에너지 장벽을 낮추는 것이다. 두 번째는 질소가 도핑된 탄소 구조체 내부에 풍부한 마이크로, 메조 기공들이 반응 이온들을 선택적으로 투과를 시키면서도 확산을 용이하게 한다. 결과적으로, 합성된 재료는 높은 pH의 전해질 환경에서도 균일하고 안정적인 아연 도금 양상을 보인다. 따라서 이 논문에서 소개된 재료 설계 방법은 우수한 사이클 특성의 알칼리 아연 전지에 사용될 수 있는 전극을 설계하는 유효한 방법론 중 하나가 될 수 있다.
