近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所胡林華研究員團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展。通過(guò)在水系鋅鹽電解液中引入親鋅性馬來(lái)酸鈉添加劑，實(shí)現(xiàn)鋅（002）面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，有效抑制鋅枝晶生長(zhǎng)，極大提升電池充放電可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性能。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2312506(2023))上。

水系鋅離子電池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、環(huán)境友好性和成本效益而引起了廣泛的關(guān)注。然而，鋅枝晶生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致較差的可逆性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電池短路，是水系鋅離子電池商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。金屬鋅是一種六方密排晶體，其中（002）、（101）和（100）晶面是晶體學(xué)特征的主要組成部分。鋅（002）晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，導(dǎo)致均勻的界面電荷密度和緊密的原子結(jié)合，有利于Zn2+的均勻沉積和更好的抗腐蝕能力。對(duì)于鋅（101）和（100）面而言，不光滑的原子排列和不均勻的界面電荷分布會(huì)增加枝晶生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，調(diào)整鍍鋅晶體的狀態(tài)有望從根本上獲得高度穩(wěn)定和可逆的金屬陽(yáng)極。

基于此，研究人員構(gòu)建了一種誘導(dǎo)Zn（002）織構(gòu)同質(zhì)外延電沉積的添加劑電解液策略。通過(guò)馬來(lái)酸鈉（DMA）的吸附調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)Zn（002）織構(gòu)生長(zhǎng)并抑制副反應(yīng)發(fā)生。在1 mA cm-1和1 mAh cm-1的電鍍/剝離循環(huán)下，Zn//Zn對(duì)稱電池表現(xiàn)出3200 h以上的循環(huán)穩(wěn)定性能。即使在30 mA cm-2和30 mAh cm-2的極端條件下，包含馬來(lái)酸鈉的Zn//Zn對(duì)電池仍表現(xiàn)出120 h的穩(wěn)定循環(huán)壽命。使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩(wěn)定循環(huán)3000次后平均庫(kù)倫效率達(dá)到99.81%。Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環(huán)10000次后容量保持率為92.3%。即使在低N/P比為8.5:1的情況下，Zn//NH4V4O10全電池仍然可以穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)5000次，超過(guò)普通電池的三倍。

該研究通過(guò)吸附馬來(lái)酸鈉分子層對(duì)界面鋅離子在不同晶面的遷移行為調(diào)控，誘導(dǎo)Zn（002）晶面生長(zhǎng)，為分子水平上實(shí)現(xiàn)鋅負(fù)極優(yōu)勢(shì)織構(gòu)生長(zhǎng)提供了一種有前景的策略，并有望應(yīng)用于其他的金屬負(fù)極。

固體所博士研究生韋婷婷為論文第一作者，固體所胡林華研究員、李兆乾副研究員和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院朱大明研究員為論文通訊作者。該工作得到了合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312506

圖1. 不同電解液中的Zn沉積機(jī)理示意圖。

圖2. （a）Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能級(jí)；（b）不同電流密度和不同電解液中沉積鋅片的XRD圖譜（R = I(002)/I(101)）；（c）不同電解液中沉積鋅片的RTC值；（d, e）在不同電解液中沉積鋅片的X射線極圖；（f-h）不同電解液中沉積鋅片的2D-GIXRD圖譜：（f）ZnSO4中沉積的鋅片，（g）DMA/ZnSO4中沉積的鋅片,（h）在DMA/ZnSO4中循環(huán)10圈后的鋅片；（i）不同電解液中沉積鋅片的SEM和FESEM圖。

圖3. （a）10 mA cm?2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積的原位光學(xué)顯微觀察圖；（b）10 mA cm?2下DMA/ZnSO4電解液中半原位沉積XRD圖譜；（c）10 mAh cm?2下ZnSO4和DMA/ZnSO4電解液中沉積鋅片的側(cè)面SEM圖。