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能源材料与器件制造研究部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。科研人员提出一种通过最高占据分子轨道能级，选择稳定锌负极用的非牺牲性阴离子型表面活性剂电解液添加剂的通用策略，实现抑制锌枝晶生长和副反应的可持续性调节，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Energy Storage Materials (Energy Storage Mater., 70, 103525(2024))上。      水系锌离子电池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、环境友好性和低成本效益引起了广泛的关注。然而，锌枝晶生长会引起较差的可逆性，严重时会引发电池短路，是推进水系锌离子电池商业化进程的主要障碍。阴离子型表面活性剂作为一种典型的非牺牲性添加剂，在冶金领域作为镀锌的防腐蚀和光滑剂有着悠久的应用历史。因此，选择合适的阴离子型表面活性剂添加剂有望从根本上获得高度稳定和可逆的金属负极。

研究人员提出一种通过分子最高占据分子轨道（HOMO）能级选择稳定锌负极用的非牺牲性阴离子型表面活性剂电解液添加剂的通用策略。具有高HOMO能级的十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) 表现出优秀的配位和吸附能力，能够改变Zn2+溶剂化结构，调节界面Zn2+扩散沉积，极大地抑制了锌枝晶和副反应。在2 mA cm-1和2 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，稳定性提升30倍。使用改性电解液的Zn//Cu电池在稳定循环800次后平均库伦效率达到98.15%。Zn//NH4V4O10扣式电池在5 A g-1下循环8000次后容量保持率为93.5%。大面积软包袋式电池稳定循环超过500次，具有214 mAh g-1的放电比容量。该工作通过高HOMO能级SDBS对溶剂化结构和界面锌离子的调控，抑制副反应和促进均匀锌沉积，为分子水平上实现稳定的锌负极提供了一种有前景的策略，并有望应用于其他的金属负极。

论文第一作者为固体所博士研究生韦婷婷，通讯作者为胡林华研究员、李兆乾副研究员和中国科学技术大学谈鹏教授、陈维教授。该研究得到了合肥物质院院长基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103525

图1. （a）H2O、SEBS、SDS和SDBS分子中O原子电荷和分子DM值；（b）不同分子与Zn2+的结合能，以及不同分子在Zn表面的吸附能；（c）不同分子的LUMO和HOMO能级值。

图2. （a）SDBS/ZnSO4电解液中MD模拟快照；（b）SDBS/ZnSO4电解液中Zn2+-O (添加剂)、Zn2+-O (H2O) 的配位数和RDFs；（c）不同溶剂化结构 (Zn(H2O)62+和Zn(H2O)5SDBS+) 的静电势；（d）不同电解液的FTIR光谱；（e）ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液的67Zn NMR谱；(f)锌表面H2O和SDBS的吸附能和相应的差分电荷密度图，黄色和蓝色分别表示电子的积累和损失；（g）添加/不添加SDBS时Na2SO4溶液的差分电容曲线；（h）ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液的Tafel曲线；（i）ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液的LSV曲线；（j）ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液的析氢能垒。

图3. 在（a）ZnSO4和（b）SDBS/ZnSO4电解液中10 mAh cm−2沉积1 h后锌片的表面和截面SEM图；（c, d）ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液中10 mAh cm−2沉积1 h后锌片表面的3D共聚焦显微图；（e）10 mA cm−2下ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液中沉积的原位光学显微观察图；（f）5 mA cm-2和5 mAh cm-2下循环不同圈数（10次、100次和200次）后循环Zn表面的SEM图像；ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液中的（g）成核过电势曲线和（h）恒电位时间-电流曲线。