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枝晶生長和鋅負(fù)極的低沉積/剝離效率以及水系電解液的高冰點(diǎn)阻礙了水系鋅離子電池的實(shí)際應(yīng)用。

蘇州大學(xué)程濤、哈爾濱工業(yè)大學(xué)王殿龍、王博等通過在水系電解液中加入甜菜堿（Bet，甜菜植物的副產(chǎn)品），提出了一種基于兩性離子滲透電解液的分子擁擠電解液，以解決上述問題。

圖1. 水系電解液中Bet的DFT計(jì)算和光譜表征

在生物學(xué)中，生物大分子和親水小分子在生物細(xì)胞中的濃度非常高，而且擁擠。當(dāng)親水小分子，如代謝物和滲透性物質(zhì)的濃度達(dá)到600 mM時(shí)，就會(huì)形成”小分子擁擠”。擁擠的環(huán)境會(huì)改變?nèi)芤旱男再|(zhì)，例如，H₂O的氫鍵結(jié)構(gòu)被打破，活性降低。甜菜堿（Bet）是一種安全無毒的生物兩性離子滲透劑，主要從甜菜中提取，可使一些植物在零下環(huán)境中生存。

受這種分子擁擠效應(yīng)的啟發(fā)，預(yù)計(jì)可以通過構(gòu)建分子擁擠電解液來減少自由H₂O的含量，以抑制析氫并降低冰點(diǎn)。基于此，作者通過Bet首次通過仿生學(xué)構(gòu)建了一個(gè)分子擁擠的電解液，以穩(wěn)定鋅負(fù)極。

圖2. Zn的沉積/剝離性能及形態(tài)

Bet與Zn²⁺之間的強(qiáng)相互作用打破了Zn²⁺的溶劑化鞘，減少了靠近Zn負(fù)極的Zn²⁺周圍的活性水，抑制了HER，減少了副產(chǎn)物的發(fā)生，從而使Zn-Cu電池的平均庫侖效率（CE）達(dá)到99.9%。此外，Bet改變了Zn²⁺的沉積方向，導(dǎo)致沒有枝晶沉積。獲得的對(duì)稱電池可以在0.5 mA cm^-2、0.5 mAh cm^-2下穩(wěn)定工作4235小時(shí)以上。

此外，基于Bet/ZnSO₄電解液的Zn負(fù)極在-30至60℃的寬溫度范圍內(nèi)保持了良好的可逆性。如該研究所示，基于仿生學(xué)概念的高濃度功能生物分子的利用可為ZIBs的多功能電解也設(shè)計(jì)提供更多的活力。

圖3. 所得電解液的低溫性能

Molecular Crowding Effect Mimicking Cold Resistant Plant to Stabilize Zinc Anode with Wider Service Temperature Range. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208237

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