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图文导读
图1. TG4作为助溶剂对Zn2+溶剂化结构的影响
(a)不同TG4/H2O比例的1 m Zn(OTf)2电解液的Raman、(b, c)FTIR和(d)NMR光谱图。(e)电解液中Zn2+与其他不同物种的结合能。(f)MD 模拟的三维快照和Zn2+溶剂化结构示意图。(g)1m ZOT TG4-5电解液中Zn2+的RDF曲线和相应配位数。(h)电解液的Tafel曲线。
▲去溶剂化能垒、活化能以及微分电容结果表明，引入的多元醇调节了Zn电极的界面结构和特性，降低了界面动力学。基于DFT的吸附能计算，TG4可以取代吸附的H2O并定向吸附在Zn负极界面上，在内Helmholtz平面形成一个贫水层。另一方面，TG4在Zn (002)晶面上的更高的吸附能将诱导(002)晶面的优先生长。实验结果进一步验证说明，TG4/H2O共溶剂电解液中更高的成核过电位促进了电沉积初期细小晶核的形成，并均匀化了Zn沉积物。此外，Zn沉积过程的原位XRD谱图直观证实了在1m ZOT TG4-5电解液中Zn (002)晶面的优先沉积机制。因此，通过TG4/H2O共溶剂电解液降低界面动力学，在电化学和结晶学角度上实现密集且无枝晶的Zn电沉积具有显著优势，这保证了ZIBs中Zn负极的高可逆性和稳定性。
▲通过有限元模拟验证不同电解液中Zn负极界面法拉第电流密度(FCD)的演变过程，结果显示引入TG4作为助溶剂会导致Zn表面的FCD显著降低(1m ZOT: ~1.2 mA cm-2, 1m ZOT TG4-5: ~0.5 mA cm-2)；随着电沉积过程的进行，使用1m ZOT TG4-5电解液的Zn表面的FCD分布也更加均匀。此外，使用该电解液的Zn表面的硬度变化更为显著，表明最终的Zn表面更加平整且均匀。SEM图像进一步揭示了使用不同多元醇共溶剂电解液时锌表面的形貌特征，尤其是1m ZOT TG4-5电解液的锌表面保持平整光滑。因此，通过引入TG4作为共溶剂来调节电荷转移动力学，可以显著降低局部法拉第电流密度，进而实现Zn金属电沉积过程的均匀化，防止局部尖端过度生长。
▲进一步，原位光学显微镜揭示了1m ZOT TG4-5低动力学电解液对Zn负极的稳定作用。由于Zn2+还原速度较低，使用1m ZOT TG4-5电解液的锌负极显著减少了尖端的过度生长。同时，引入TG4有效地抑制了锌负极上副产物的形成，进一步提高了电极的稳定性。因此，使用1m ZOT TG4-5低动力学电解液可以预期锌金属负极具有更高的可逆性。如预期，Zn|Cu电池表现出优异的稳定性，平均CE高达99%。Zn|Zn对称电池表现出超过7000小时的稳定循环，是1m ZOT电解液的70倍(约100小时)。24小时搁置测试表明了TG4增强的界面耐久性，能有效缓解副反应。低动力学电解液1m ZOT TG4-5的对称电池的累积镀层容量(CPC)达到7.0 Ah cm-2，显著优于已报道的其他文献结果。
▲通过原位XRD分析表明，在含有TG4的共溶剂电解液中，NVO表面能有效避免碱性锌盐副产物BZS的形成并抑制钒的溶解。石英晶体微天平(QCM-D)进一步揭示了TG4对NVO阴极界面的影响。TG4分子可在NVO阴极表面吸附形成一个保护层，起到物理屏障的作用，这种动态吸附层的减少了有害质子和水分子插入NVO阴极，从而减少副产物的形成和阴极的溶解。另外，无损DRT分析和GITT测试进一步说明了NVO阴极在不同种类电解液中界面性质的差异。总之，尽管TG4保护层因其结合能高而部分阻止了Zn2+的插层，但它协同抑制了H⁺的插层、副产物的形成和钒的溶解，从而实现了优异的整体电化学性能。
(a)使用不同电解液的NVO|Zn全电池在0.2 A g-1下的恒流充放电曲线和(b)对应的循环性能。(c)使用1m ZOT TG4-5电解液的NVO|Zn软包电池的循环性能。(d)使用1m ZOT TG4-5电解液的Ah级NVO|Zn软包电池组的循环稳定性。(e)与太阳能电池耦合的NVO|Zn软包电池储能系统的充放电曲线。(f)与太阳能电池耦合的NVO|Zn软包电池储能系统的光学图像；(g)与其他文献比较的容量和循环次数。
▲为了验证1m ZOT TG4-5低动力学电解液的实际应用潜力，组装的NVO|Zn全电池在1m ZOT TG4-5电解液显示出更缓和的容量衰减，在0.2 Ag-1下能够提供296.3 mA h g-1的比容量，并在200个循环后保持93.3%的容量。进一步组装并测试了高负载和大尺寸的NVO|Zn软包电池(8*12 cm)，该软包电池能提供110 mAh的容量，运行450次后几乎没有容量衰减(约33天)。作为概念验证，堆叠的软包电池可以达到1.3 Ah的输出容量，并且能够稳定循环超过25天。为了实现其在大规模储能方面的应用潜力，设计了一种能量收集和转换系统并用于消费电子产品供能，通过将锌离子电池与太阳能板集成实现了稳定的能源输入，进一步该电能能够为日常消费电子产品提供稳定能量输出。因此，使用TG4作为共溶剂来调节界面动力学在增强电极/电解质界面稳定性方面具有关键作用，这为实现锌离子电池在能源存储领域的广泛应用带来了希望。
研究总结
文献信息
Shenglong Li, Yunpeng Zhong, Jiangtao Huang, Guojun Lai, Le Li, Long Jiang, Xieyu Xu, Bingan Lu, Yangyang Liu, and Jiang Zhou, Regulating Interfacial Kinetics Boost the Durable Ah-Level Zinc-ion Batteries，Energy Environ. Sci., 2025.
https://doi.org/10.1039/D4EE04372C
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