盡管鋅負(fù)極和水系電解質(zhì)具有內(nèi)在安全性、資源豐富且成本低廉，但可充水系鋅電池的實(shí)施仍受到循環(huán)性不足和眾所周知的寄生副反應(yīng)（如枝晶生長(zhǎng)、析氫反應(yīng)、腐蝕）的阻礙。構(gòu)建可靠的固體電解質(zhì)界面相（SEI）和/或控制晶體生長(zhǎng)可有效提高鋅負(fù)極的可逆性并減輕副反應(yīng)。

圖1 電解液設(shè)計(jì)

西北工業(yè)大學(xué)馬龍濤、香港理工大學(xué)黃海濤等提出了一種咪唑烷基脲（IU）陰離子受體，用于同時(shí)調(diào)控一系列水系電解液（即 2 m ZnSO₄、2 m Zn(OTf)₂和2 m Zn(BF₄)₂）中的電雙層（EDL）吸附、Zn²⁺體相溶劑化結(jié)構(gòu)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)可靠的SEI和Zn (002)平面的優(yōu)先生長(zhǎng)。

研究發(fā)現(xiàn)，2 m ZnSO₄(IU)_0.25水系電解液有助于形成內(nèi)含無(wú)機(jī)ZnCO₃/ZnS_x和外含有機(jī)C-H/C-C成分的層狀結(jié)構(gòu)和堅(jiān)韌的SEI。同時(shí)，它迫使Zn²⁺離子沉積在(002)平面上，形成平面和緊湊的沉積層。

圖2 半電池性能

由于具有抑制枝晶生長(zhǎng)和抑制界面寄生反應(yīng)的固有特性，采用該電解液的Zn??Zn對(duì)稱電池和Zn??Br₂全電池均表現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能。Zn??Zn電池在1mA·cm^-1和0.5 mAh·cm^-2的條件下可持續(xù)運(yùn)行1500小時(shí)。Zn??Br₂電池在0.5 A·g^-1的電流密度下可提供264.1 mAh·g^-1的高容量，并具有1000次循環(huán)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

更重要的是，在鋅利用率為84.03%的苛刻條件下，高鋁容量（約5.7 mA·cm^-2）的鋅??Br₂軟包電池可運(yùn)行300次循環(huán)。該工作為同時(shí)引導(dǎo)晶體生長(zhǎng)和設(shè)計(jì)可靠的SEI以實(shí)現(xiàn)高可逆的鋅金屬電極提供了新的見解。

圖3 全電池性能

Preferred Planar Crystal Growth and Uniform Solid Electrolyte Interface Enabled by Anion Receptor for Stable Aqueous Zn Batteries. Energy & Environmental Science 2023. DOI: 10.1039/d3ee01580g