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AEM: 用于實(shí)現(xiàn)可逆穩(wěn)定鋅負(fù)極的防腐疏水界面

水腐蝕和枝晶生長嚴(yán)重破壞了電解液/負(fù)極界面處的鍍鋅/剝離過程，導(dǎo)致水系鋅電池（AZBs）的鋅金屬負(fù)極不穩(wěn)定，造成這些問題的根本原因在于鋅沉積過程中電解液和電極界面處的擴(kuò)散層和亥姆霍茲層的電極反應(yīng)。

在此，湖北大學(xué)王浩教授、桃李副教授及昆明理工大學(xué)崔健等人篩選了三種具有相同親水基團(tuán)但不同疏水基團(tuán)的季銨陽離子表面活性劑，即芐基二甲基十二烷基氯化銨（DDBAC，DDBA⁺陽離子），十二烷基三甲基氯化銨（DTAC，DTA⁺陽離子）和芐基三甲基氯化銨（TMBAC，TMBA⁺陽離子）作為ZnSO₄電解液（2ZSO）添加劑，研究疏水基團(tuán)形成的疏水界面的陽離子界面吸附行為。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，季銨陽離子中的疏水基團(tuán)是鋅離子沉積動(dòng)力學(xué)過程和鋅負(fù)極壽命的決定因素。其中，具有十二烷基和芐基的DDBAC形成的塊狀膠束對鋅離子的傳輸和沉積造成很大阻礙。僅具有十二烷基主要疏水基團(tuán)的DTAC導(dǎo)致鍍鋅的極化過電位或電壓滯后較高，CE較低（<99％），而具有一個(gè)主要芐基基團(tuán)的TMBAC可以抑制副反應(yīng)并調(diào)節(jié)鋅的均勻沉積。

圖1. 原位光學(xué)顯微鏡觀察不同電解液中鋅箔上的鋅沉積

此外，無論是紐扣電池還是軟包電池，額外添加0.5 g L^-1的TMBAC都可以獲得超長的電池壽命和幾乎100%的CE。最后，通過實(shí)驗(yàn)分析和DFT計(jì)算詳細(xì)探討了TMBAC的作用機(jī)理。當(dāng)TMBAC加入到2ZSO中時(shí)，帶正電荷的親水基團(tuán)在亥姆霍茲平面內(nèi)，疏水基團(tuán)朝向該平面外，導(dǎo)致在鋅負(fù)極表面附近形成TMBA⁺吸附層。

該吸附層可為鋅離子的均勻沉積提供多個(gè)通道，并阻止游離水侵入亥姆霍茲平面，從而大大減少了HER副反應(yīng)的發(fā)生和副產(chǎn)物ZHS的產(chǎn)生。因此，TMBAC的添加有效地抑制了水腐蝕，同時(shí)提高了鋅的循環(huán)壽命。因此，芐基是三種疏水基團(tuán)不同的季銨鹽表面活性劑中選擇AZBs添加劑的最佳選擇，必將提高鋅負(fù)極的活性和AZBs的長期壽命和性能。

圖2. DFT計(jì)算探討TMBAC的作用機(jī)理

Anti-Corrosion for Reversible Zinc Anode via a Hydrophobic Interface in Aqueous Zinc Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103557

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