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福建師大ACS Nano：自適應(yīng)電離誘導(dǎo)可調(diào)諧雙電層適用于寬pH和溫度范圍鋅金屬電池

金屬鋅在水性電解液中劇烈的副反應(yīng)導(dǎo)致界面局部pH值劇烈波動(dòng)，加速鋅負(fù)極擊穿；因此，開發(fā)適應(yīng)寬pH范圍的優(yōu)化策略對(duì)于改進(jìn)水系鋅金屬電池尤為關(guān)鍵。

在此，福建師范大學(xué)曾令興、陳慶華，Xiong Peixun等人報(bào)道了一種由甘氨酸(Gly)添加劑調(diào)諧的ph自適應(yīng)電雙層(EDL)，它在寬ph水溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定鋅負(fù)極的能力。研究發(fā)現(xiàn)，無論是在弱酸性電解質(zhì)還是堿性電解質(zhì)中，Gly離子EDL能促進(jìn)載流子的定向遷移，從而成功地抑制了局部飽和。

結(jié)果表明，未發(fā)生二聚反應(yīng)的Gly添加劑可以在IHP內(nèi)進(jìn)行有序而密集的垂直吸附，有效降低Zn²⁺的EDL排斥力，并將H₂O從負(fù)極表面隔離。因此，具有可調(diào)EDL的鋅負(fù)極在較寬的pH值和溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在ZnSO₄-Gly電解質(zhì)的鋅對(duì)稱電池中，其循環(huán)可逆性可達(dá)7000 h，在KOH-Gly電解質(zhì)的鋅對(duì)稱電池中，其壽命延長(zhǎng)了50倍。

圖1. 作用機(jī)制

總之，該工作發(fā)現(xiàn)Gly添加劑可以適應(yīng)較寬的pH環(huán)境進(jìn)行電離，從而調(diào)節(jié)不同電解質(zhì)中Zn電極表面的EDL。在低pH電解液(ZnSO₄, pH ~ 4)中，Gly可以降低EDL排斥，并與水分子競(jìng)爭(zhēng)Zn²⁺溶劑化。在高pH (KOH, pH ~ 14)電解液中，含Gly的EDL有利于[Zn(OH)₄]^2-的吸附，阻礙其再擴(kuò)散，從而有效抑制了[Zn(OH)₄]^2-的不可逆溶解。

結(jié)果表明，采用ZnSO₄-Gly電解液制備的Zn||鋅對(duì)稱電池，在1mA cm^-2下可逆鍍/剝出時(shí)間可達(dá)7000 h，在4 mA cm^-2下可逆溶出時(shí)間可達(dá)5000 h，鋅負(fù)極(~ 20 μm厚度)利用率高達(dá)93%，KOH-Gly電解液中的鋅負(fù)極也表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

更重要的是，通過對(duì)高DOD、低N/P、鋅粉負(fù)極軟包電池、堿性高壓全電池等接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的不同器件進(jìn)行組裝和性能測(cè)試，全面驗(yàn)證了Gly提升AZMBs實(shí)用性的能力。因此，該工作為設(shè)計(jì)與實(shí)際多應(yīng)用場(chǎng)景相兼容的AZMBs電解質(zhì)添加劑提供了研究思路。

圖2. 電池性能

Adaptive Ionization-Induced Tunable Electric Double Layer for Practical Zn Metal Batteries over Wide pH and Temperature Ranges， ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c09774

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/12/09/c4bf1cbebf/

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