準(zhǔn)固態(tài)鋅金屬電池由于其固有的安全性和高能量密度，在下一代電池中顯示出巨大的潛力。然而，靜態(tài)的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)表面和動態(tài)的Zn負(fù)極體積變化之間的不匹配將導(dǎo)致劣質(zhì)的界面接觸，這嚴(yán)重阻礙了Zn基電池的發(fā)展。

武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)、徐林等提出了一種獨(dú)特的空間分子組合策略來設(shè)計(jì)一種用于構(gòu)建動態(tài)自適應(yīng)界面的超快自愈電解質(zhì)。

圖1. 瓜爾膠分子構(gòu)象調(diào)控的空間分子結(jié)合效應(yīng)

這項(xiàng)工作創(chuàng)新地將甘油引入瓜爾膠系統(tǒng)，以構(gòu)建空間分子梳。具體而言，甘油通過氫鍵相互作用吸附在瓜爾豆膠分子鏈上，抑制碳-碳單鍵的旋轉(zhuǎn)，從而梳理和拉直分子鏈。由此產(chǎn)生的暴露的醇羥基活性位點(diǎn)可以與硼酸鹽動態(tài)交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)超快的自愈能力。此外，電解液與體系中的活性水分子具有更強(qiáng)的結(jié)合能，使Zn²⁺初級溶劑化殼層中的水分子數(shù)從6個(gè)減少到3.8個(gè)。

圖2. 自愈和自適應(yīng)界面的表征

由于其超快的自愈性和由此產(chǎn)生的自適應(yīng)性，凝膠電解質(zhì)和鋅負(fù)極在反復(fù)的鋅剝離/沉積過程中保持了連續(xù)和緊密的動態(tài)連接。

受益于提升的鋅可逆性，在10 mA cm^-2的電流密度和10 mAh cm^-2的大容量條件下，Zn||Zn對稱電池保持了400小時(shí)以上的穩(wěn)定性。采用自適應(yīng)界面的全電池在1 A g^-1的條件下循環(huán)500次后顯示出200 mAh g^-1的容量，在10 A g^-1的條件下循環(huán)10000次后具有98.5%的容量保持率。這種準(zhǔn)固態(tài)電池充分證明了動態(tài)自適應(yīng)界面的可行性，并為安全儲能設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。

圖3. 具有自適應(yīng)界面的鋅離子全電池的電化學(xué)性能

Steric Molecular Combing Effect Enables Ultrafast Self-Healing Electrolyte in Quasi-Solid-State Zinc-Ion Batteries. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01459