固體所在水係鋅離子電池電解液研究方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所胡林華研究員團隊在水係鋅離子電池電解液研究方麵取得新進展 。通過在水係鋅鹽電解液中引入親鋅性馬來酸鈉添加劑 ，實現鋅（002）麵擇優取向生長 ，有效抑製鋅枝晶生長 ，極大提升電池充放電可逆性和循環穩定性能 。相關成果發表在國際期刊Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2312506(2023))上 。

水係鋅離子電池（AZIBs）因其高的安全性 、可靠性 、環境友好性和成本效益而引起了廣泛的關注 。然而 ，鋅枝晶生長會導致較差的可逆性 ，嚴重時會引發電池短路 ，是水係鋅離子電池商業化進程的主要障礙 。金屬鋅是一種六方密排晶體 ，其中（002） 、（101）和（100）晶麵是晶體學特征的主要組成部分 。鋅（002）晶麵具有光滑的原子排列 ，且原子密度大 、表麵能低 ，導致均勻的界麵電荷密度和緊密的原子結合 ，有利於Zn2+的均勻沉積和更好的抗腐蝕能力。對於鋅（101）和（100）麵而言 ，不光滑的原子排列和不均勻的界麵電荷分布會增加枝晶生長風險 。因此 ，調整鍍鋅晶體的狀態有望從根本上獲得高度穩定和可逆的金屬陽極 。

基於此 ，研究人員構建了一種誘導Zn（002）織構同質外延電沉積的添加劑電解液策略 。通過馬來酸鈉（DMA）的吸附調節 ，誘導Zn（002）織構生長並抑製副反應發生 。在1 mA cm-1和1 mAh cm-1的電鍍/剝離循環下 ，Zn//Zn對稱電池表現出3200 h以上的循環穩定性能 。即使在30 mA cm-2和30 mAh cm-2的極端條件下 ，包含馬來酸鈉的Zn//Zn對電池仍表現出120 h的穩定循環壽命 。使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩定循環3000次後平均庫倫效率達到99.81% 。Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環10000次後容量保持率為92.3% 。即使在低N/P比為8.5:1的情況下 ，Zn//NH4V4O10全電池仍然可以穩定循環超過5000次 ，超過普通電池的三倍 。

該研究通過吸附馬來酸鈉分子層對界麵鋅離子在不同晶麵的遷移行為調控 ，誘導Zn（002）晶麵生長 ，為分子水平上實現鋅負極優勢織構生長提供了一種有前景的策略 ，並有望應用於其他的金屬負極 。

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科學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院院長基金的支持 。

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

圖1. 不同電解液中的Zn沉積機理示意圖 。

圖2. （a）Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能級 ；（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10圈後的鋅片 ；（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麵SEM圖 。