水系鋅金屬電池由于其高容量、高安全性和低成本而成為最有前景的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，鋅金屬負(fù)極在水系電解液中存在著連續(xù)的寄生反應(yīng)、隨機(jī)枝晶生長(zhǎng)和遲緩的動(dòng)力學(xué)。

華南師范大學(xué)鄭奇峰、陳鷺義等引入高供體數(shù)溶劑四甲基脲（TMU）作為電解液添加劑，以實(shí)現(xiàn)高度可逆的鋅金屬負(fù)極。

圖1. 不同電解液中的鋅沉積行為示意圖

綜合實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果表明，TMU不僅能優(yōu)先吸附在Zn表面，抑制Zn腐蝕和寄生反應(yīng)，還能與Zn²⁺溶劑化，將H₂O排除在Zn²⁺溶劑化鞘之外，從而大大削弱了水的活性。

更重要的是，這種獨(dú)特的Zn²⁺溶劑化鞘促進(jìn)了無(wú)機(jī)-有機(jī)雙層SEI的形成，其內(nèi)部是富含ZnF₂/硫化物的層（高界面能），外部是富含酰胺的層（強(qiáng)親鋅性），使Zn沉積均勻，有效提高Zn²⁺運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)。

圖2. 鋅沉積/剝離的穩(wěn)定性

基于TMU添加劑的上述優(yōu)點(diǎn)，所得到的Zn(OTF)₂+TMU水系電解液不僅使Zn||Ti不對(duì)稱電池（持續(xù)超過(guò)1200次（CE>99. 5%））和Zn||Zn對(duì)稱電池（超過(guò)4000小時(shí)）實(shí)現(xiàn)了高度可逆的鋅沉積/剝離，而且還能使各種最先進(jìn)的正極穩(wěn)定運(yùn)行，包括五氧化二釩（V₂O₅）、聚苯胺（PANI）和六氰化鐵（Na₂MnFe(CN)₆）。總體而言，這項(xiàng)工作從根本上了解了高供體添加劑在穩(wěn)定鋅金屬負(fù)極方面的作用，為開(kāi)發(fā)新興的鋅金屬水系電池開(kāi)辟了一條新的途徑。

圖3. Zn||V₂O₅全電池性能

Three Birds with One Stone: Tetramethylurea as Electrolyte Additive for Highly Reversible Zn-Metal Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209642