近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院陈维课题组联合杨金龙院士和李星星课题组团队，在国际期刊Advanced Materials发表了题为“Anions Regulation Engineering Enables Highly Reversible and Dendrite-Free Nickel Metal Anode with Ultrahigh Capacities”的研究型论文。论文探究了不同阴离子对于水系电解液中金属Ni沉积溶解的影响，通过电解质调控实现了过渡金属Ni的超高容量、无枝晶和高度可逆的沉积溶解。实验结果和理论计算表明，氯离子能够抑制金属Ni表面Ni(OH)2钝化层的形成。进而在半电池中实现了1000 mAh cm-2的超高面容量，并能在低面容量下实现15000次的循环寿命。开发了一系列Ni-MnO2和Ni-PbO2全电池，展现出良好的电化学性能。
过渡金属Ni由于其无枝晶特性而广泛应用于电镀行业。此外，作为一种金属负极，Ni具有-0.25 V vs. SHE 的氧化还原电位，8136 mAh cm-3的理论体积容量以及高达 913 mAh g-1的理论质量比容量。这些具有吸引力的电化学性能结合金属Ni展现出的无枝晶特性，使得Ni成为金属负极的理想候选者之一。然而，与工业上成熟的电镀Ni技术相比，金属Ni的可逆沉积溶解目前鲜有报道。这主要是由于缺乏有效的水系电解液所致。因此，对水系Ni金属负极的可逆电镀/剥离进行全面研究非常关键。而且可以预见，鉴于金属Ni的以上优点，新型水系Ni金属负极对于水系金属电池的发展具有广阔的应用前景。
本工作在对常见金属Ni盐进行探究后发现，只有在NiCl2电解液中，才显示出典型的金属沉积溶解电化学曲线 (图1)。并且在该电解液中，金属Ni可以在半电池中展现出优异的沉积溶解可逆性，在低面容量0.5 mAh cm-2时，金属Ni可以实现最高15000次的稳定沉积溶解。而将面容量进一步提高时，金属Ni可以在高达1000 mAh cm-2的情况下实现99.42%的库伦效率，超过目前所报道的金属负极大约两个数量级。并且在这种超高面容量下，金属Ni也展现出无枝晶的特性，为其后续应用打下坚实基础。最后，通过分子动力学模拟和第一性原理计算，结合高分辨透射电镜等表征，揭示了氯离子可以抑制金属镍表面氢氧化镍钝化层的形成，进而实现可逆金属Ni沉积溶解的反应机理。最后，Ni-MnO2全电池可以在低面容量下实现2000次的稳定循环，Ni-PbO2全电池展现出最高1.8 V的放电平台和200 mAh cm-2的高面容量 (图2)，进一步说明了水系Ni金属电池的发展潜力。
图1. 金属Ni在不同电解液中电化学行为性质差异以及在NiCl2中电化学性能展示。
图2. 水系Ni金属电池的电化学性能展示。
近年来，陈维教授课题组致力于储能电池的研究和应用开发，已在金属离子电池储能体系（Nat. Commun. 14 (2023) 76, Angew. Chem. Int. Ed. (2023) e202214966; Adv. Mater. 34 (2022) 2203249; Adv. Energy Mater. (2023) 2301322, Adv. Energy Mater.12 (2022) 2103352; Adv. Energy Mater.12 (2022) 2103705; Adv. Energy Mater. 5 (2021) 2002904; eScience 1 (2021) 178-185）和氢气二次电池储能体系（Chemical Reviews 122 (2022) 16610-16751; Nat. Commun. 13 (2022) 2805; J. Am. Chem. Soc. 143 (2021) 20302-20308; Adv. Mater. (2023) 2300502, JACS Au 3 (2023) 488-497; ACS Nano, 17 (2023) 7821-7829, Adv. Funct. Mater. 31 (2021) 2101024; Energy Storage Mater. 42 (2021) 464-469; Nano Lett. 20 (2020) 3278-3283）等研究方向取得了一系列重要的阶段性成果。
中国科学技术大学化学与材料科学学院的博士研究生王明明、孟亚寒和南京理工大学江阴校区青年教师高鹏飞为论文的共同第一作者，中国科学技术大学化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心的陈维老师、李星星老师为该论文的共同通讯作者。水系Ni金属负极的研究工作得到中国科大人才团队项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助，以及中国科学技术大学理化实验中心和微纳中心在测试表征方面提供的帮助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305368