第一作者：Di Tang, Xinyue Zhang
通讯作者：杨全红（本刊副主编），翁哲，韩大量
通讯地址：天津大学
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406071
作者提出了一种创新的离子阀门策略，通过在锌电池的锌负极界面上构建一个可逆的疏水层，以适应锌沉积和剥离过程中界面水分子的不同需求。研究团队使用辛基三甲基溴化铵（C8TAB）作为离子阀门，能够在锌沉积和剥离过程中根据电场方向的不同主动建立和移除疏水界面。这种动态自适应的疏水界面显著提高了锌负极的循环稳定性和库仑效率，使得锌电池在超过2500小时的循环中保持了约99.8%的高库仑效率，并在5 A g−1的电流密度下经过1000个循环后，全电池展现出超过85%的容量保持率。这一发现为水系金属电池的界面设计提供了新的见解，并为开发低成本、实用的锌电池铺平了道路。
研究背景
可充电水系锌电池（AZBs）因其安全性、成本效益、环境友好性和制造可行性而在大规模能量存储应用中显示出巨大优势。然而，水系电解液带来了若干挑战，包括严重的竞争性析氢反应（HER）、锌负极上的腐蚀和枝晶生长问题。尽管通过引入有机溶剂来降低水活性的电解液设计已经取得了一定的进展，但有机成分的过度使用会削弱AZBs的优势，增加成本，降低离子电导率，甚至增加安全风险。此外，先前提出的在锌负极上预涂覆或原位生成的固态界面层虽然可以隔离锌与水的接触，但它们会损害离子传导，并且在锌负极的反复沉积和剥离过程中容易因体积变化而失效。最近，使用电解液添加剂构建疏水界面被认为是一种降低锌/电解液界面处水分子活性、减轻水诱导的问题的方法。然而，这种疏水界面在锌剥离过程中会阻碍Zn2+与H2O的溶剂化及其随后的离子传输，导致锌剥离不完全，形成“死锌”和随后的不均匀锌沉积。因此，开发一种能够适应锌沉积和剥离过程中动态自适应界面至关重要。
图 1：展示了锌沉积和剥离过程中不同疏水界面的示意图。包括没有离子阀门的传统疏水界面；具有离子阀门的自适应疏水界面，可以根据电场方向的变化在“开”和“关”状态之间切换。
图 2：通过原位拉曼光谱和原位光学显微镜图像，展示了离子阀门作为疏水界面开关的作用。这些测试揭示了在锌沉积和剥离过程中，界面处的化学和物理变化。
图 3：探讨了离子阀门对锌表面疏水性的影响，包括塔菲尔曲线，线性极化曲线，不同电解液中疏水界面的整体疏水性能，不同电解液中锌沉积后的负极的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图 4：分析了碳链对锌离子传输的影响，包括锌负极在理想和实际条件下的极化曲线示意图；不同电解液中锌沉积时的极化曲线，以及相应的极限扩散电流密度和电化学窗口。
图 5：展示了在含C8TAB的ZnSO4电解液中锌负极的电化学性能：包括 Zn//Zn对称电池在不同电流密度和面积容量下的循环性能；在20%放电深度下的恒流循环；循环后的锌箔的X射线衍射（XRD）；Zn//Cu非对称电池中的库仑效率；不同电解液中锌负极在锌沉积过程中的原位光学显微镜图像。
图 6：展示了使用含有和不含有C8TAB的电解液的Zn//ZVO全电池的电化学性能：包括不同电解液中Zn//ZVO全电池的循环伏安（CV）曲线；不同电解液中的充放电曲线；在5 A g−1下循环100圈后锌负极的扫描电子显微镜（SEM）图像；在5 A g−1下不同电解液中Zn//ZVO全电池的长循环性能。
总结与展望
转载自：清新电源
