重塑锌离子电池电解液溶剂化结构的一种通用策略

颗粒在线讯：研 究 背 景

对绿色能源和替代品的需求不断增长，迫切需要开发可靠和安全的储能系统。作为潜在的候选者之一，水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、高理论容量（820 mAh g-1）和本征安全性，受到了广泛的关注。尽管如此，近期的研究表明：Zn2+溶剂化鞘层中的水和本体电解质中的反应性的游离水会导致的严重副反应和枝晶生长，从而削弱锌离子电池的优势。

文 章 简 介

基于此，来自新加坡科技设计大学的杨会颖教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“A Universal Additive Strategy to Reshape Electrolyte Solvation Structure toward Reversible Zn Storage”的研究文章。

该文章通过将含有羰基的极性有机溶剂作为添加剂与ZnSO4水溶液混合，开发了一种通用的低成本策略来调节水合锌阳离子和水的配位环境。

本 文 要 点

含羰基的液体有机物，例如 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 和丙酮 (DMK)，是一系列强极性溶剂。这些水溶性添加剂可以作为质子受体与偶极水分子结合，破坏水溶液中原有的水团簇。此外，由于强电负性的羰基氧，它们易于与Zn2+阳离子结合。受此启发，本文提出了一种通用策略，通过将含羰基的有机极性溶剂引入 ZnSO4 基电解质中来实现 Zn 的可逆循环。

通过包括实验和理论研究在内的综合分析，证明这些有机分子参与了溶剂化的 Zn2+ 鞘层并取代了配位的水分子，从而减少了在循环过程中参与阳极界面反应的水分子。同时，H2O 和 NMP 之间的强相互作用减少了溶剂化鞘外的游离水数量，有助于减轻 ZnSO4 水溶液中的自发副反应。

结果显示，在制备的电解液中实现了具有 99.7% 高库伦效率的可逆 Zn 沉积/剥离。此外，组装的 Zn/VS2全电池表现出出色的循环稳定性 (2000 次循环，在 1 A g-1 时容量保持率为 99.4%)。即使在高阴极质量负载 (9.5 mg cm-2) 下也能抑制锌的界面问题。

图1. 含羰基有机添加剂的物理性质和光谱研究.

图2.含有NMP添加剂的ZnSO4 电解质的理论研究.

图3. NMP0 和 NMP5 电解质中锌沉积反应的比较.

图4. NMP 电解质添加剂的机理分析.

图5. 使用 NMP0 和 NMP5 电解质的 Zn/VS2@SS 全电池的电化学性能.

文 章 链 接

A Universal Additive Strategy to Reshape Electrolyte Solvation Structure toward Reversible Zn Storage

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.202103231