研究背景

水系鋅電池（AZBs）因其高安全性、低成本、環(huán)境友好性受到廣泛關(guān)注，但其商業(yè)化進(jìn)程受到鋅電極低可逆性和弱循環(huán)壽命的限制，主要原因在于析氫反應(yīng)（HER）和不均勻的Zn沉積。HER由Zn2?溶劑化殼層中水的還原引起，會(huì)生成氫氣，加速Zn表面副反應(yīng)；Zn沉積的非均勻性則易導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)，進(jìn)而損壞電極界面。

成果簡(jiǎn)介

基于此，馬里蘭大學(xué)王春生教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于 Et（30） 極性參數(shù) 的水系鋅電池電解液優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了高可逆性Zn電極的構(gòu)建，并顯著提升了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究以 “Electrolyte design for aqueous Zn batteries” 為題，發(fā)表在《Joule》期刊上。研究團(tuán)隊(duì)通過 Et（30） 極性參數(shù)精準(zhǔn)篩選溶劑，優(yōu)化Zn2?溶劑化結(jié)構(gòu)，有效抑制析氫反應(yīng)（HER）和Zn枝晶生長(zhǎng)，顯著提高Zn電極的可逆性。

研究亮點(diǎn)

1、首次引入Et（30）極性尺度作為溶劑選擇新標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化Zn2?溶劑化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效 HER 抑制，提高Zn的沉積均勻性，進(jìn)而提升電池穩(wěn)定性。

2、通過引入F-添加劑促進(jìn)ZnF?保護(hù)層的形成，減少 Zn 電極與水的直接接觸，降低枝晶生長(zhǎng)和析氫副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)5500小時(shí)超長(zhǎng)循環(huán)壽命和99.8%的庫(kù)侖效率。

3、采用優(yōu)化電解液的Zn||PANI全電池展現(xiàn)出高達(dá)130 mAh/g的比容量，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)），為水系Zn電池在儲(chǔ)能與可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖文導(dǎo)讀

圖1 用于共溶劑電解液設(shè)計(jì)的 Et（30） 性能參數(shù)

圖2含0.5 m氟基添加劑電解液的性能評(píng)價(jià)

圖3 F基SEI的形成

圖4 基于本研究中電解液的Zn||PANI電池性能

總結(jié)展望

本研究提出了一種基于 Et（30） 極性參數(shù) 的電解液優(yōu)化策略，旨在提升 水系鋅電池（AZB） 的性能，特別是解決鋅電極的低可逆性和短循環(huán)壽命問題。研究顯示，Et（30） 極性尺度 與 Zn 電極的 庫(kù)侖效率（CE） 之間存在 火山形關(guān)系，即最佳 Et（30） 范圍（約 45）能有效提高 Zn2? 溶劑化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少析氫反應(yīng)（HER）和 Zn 枝晶生長(zhǎng)，進(jìn)而提升電池的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，研究引入了 F-基添加劑，促進(jìn)了 ZnF? 固態(tài)電解質(zhì)界面層（SEI） 的形成，進(jìn)一步抑制了 HER 和枝晶生長(zhǎng)。使用優(yōu)化電解液的 Zn||PANI 全電池 展示了 高比容量（130 mAh/g） 和 長(zhǎng)循環(huán)壽命（1000 次以上），并且在不同電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)異的速率能力。此外，電池在低溫（0°C）和高溫（60°C）下也展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。綜上所述，本研究提供了新的電解液設(shè)計(jì)策略，為 水系鋅電池的高性能應(yīng)用，特別是在儲(chǔ)能系統(tǒng)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接

Electrolyte design for aqueous Zn batteries. Joule， https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101844.