固体所在水系锌离子电池电解液研究方面取得新进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所胡林华研究员团队在水系锌离子电池电解液研究方面取得新进展。通过在水系锌盐电解液中引入亲锌性马来酸钠添加剂，实现锌（002）面择优取向生长，有效抑制锌枝晶生长，极大提升电池充放电可逆性和循环稳定性能。相关成果发表在国际期刊Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2312506(2023))上。

水系锌离子电池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、环境友好性和成本效益而引起了广泛的关注。然而，锌枝晶生长会导致较差的可逆性，严重时会引发电池短路，是水系锌离子电池商业化进程的主要障碍。金属锌是一种六方密排晶体，其中（002）、（101）和（100）晶面是晶体学特征的主要组成部分。锌（002）晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，导致均匀的界面电荷密度和紧密的原子结合，有利于Zn2+的均匀沉积和更好的抗腐蚀能力。对于锌（101）和（100）面而言，不光滑的原子排列和不均匀的界面电荷分布会增加枝晶生长风险。因此，调整镀锌晶体的状态有望从根本上获得高度稳定和可逆的金属阳极。

基于此，研究人员构建了一种诱导Zn（002）织构同质外延电沉积的添加剂电解液策略。通过马来酸钠（DMA）的吸附调节，诱导Zn（002）织构生长并抑制副反应发生。在1 mA cm-1和1 mAh cm-1的电镀/剥离循环下，Zn//Zn对称电池表现出3200 h以上的循环稳定性能。即使在30 mA cm-2和30 mAh cm-2的极端条件下，包含马来酸钠的Zn//Zn对电池仍表现出120 h的稳定循环寿命。使用改性电解液的Zn//Cu电池在稳定循环3000次后平均库伦效率达到99.81%。Zn//NH4V4O10扣式电池在5 A g-1下循环10000次后容量保持率为92.3%。即使在低N/P比为8.5:1的情况下，Zn//NH4V4O10全电池仍然可以稳定循环超过5000次，超过普通电池的三倍。

该研究通过吸附马来酸钠分子层对界面锌离子在不同晶面的迁移行为调控，诱导Zn（002）晶面生长，为分子水平上实现锌负极优势织构生长提供了一种有前景的策略，并有望应用于其他的金属负极。

固体所博士研究生韦婷婷为论文第一作者，固体所胡林华研究员、李兆乾副研究员和中国科学院上海高等研究院朱大明研究员为论文通讯作者。该工作得到了合肥物质院院长基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312506

图1. 不同电解液中的Zn沉积机理示意图。

图2. （a）Cis-DMA和trans-DMA的LUMO和HOMO能级；（b）不同电流密度和不同电解液中沉积锌片的XRD图谱（R = I(002)/I(101)）；（c）不同电解液中沉积锌片的RTC值；（d, e）在不同电解液中沉积锌片的X射线极图；（f-h）不同电解液中沉积锌片的2D-GIXRD图谱：（f）ZnSO4中沉积的锌片，（g）DMA/ZnSO4中沉积的锌片,（h）在DMA/ZnSO4中循环10圈后的锌片；（i）不同电解液中沉积锌片的SEM和FESEM图。

图3. （a）10 mA cm−2下ZnSO4和DMA/ZnSO4电解液中沉积的原位光学显微观察图；（b）10 mA cm−2下DMA/ZnSO4电解液中半原位沉积XRD图谱；（c）10 mAh cm−2下ZnSO4和DMA/ZnSO4电解液中沉积锌片的侧面SEM图。