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長壽命、低成本、高能量密度和安全的儲能技術(shù)對于將間歇性可再生能源集成到未來的去碳電網(wǎng)至關(guān)重要，其中基于金屬鋅負極和弱酸性電解液的水系鋅離子電池被認為是有前途的候選者。

然而，鋅離子電池的壽命受限于鋅金屬負極在弱酸性電解液(如Zn(OTf)₂和ZnSO₄, 3≤pH≤5.5) 中嚴重的不可逆性，導(dǎo)致嚴重的析氫反應(yīng)和持續(xù)的死鋅產(chǎn)生(即電子或離子惰性的負極區(qū)域)和不受控制的枝晶生長。

在此，香港城市大學(xué)支春義教授和范俊教授等人通過對電解液工程，開發(fā)了實用的安時級水系鋅金屬軟包電池。

在確定了質(zhì)子還原是Zn金屬電沉積過程中H₂析出的主要來源后，設(shè)計了一種反膠束電解液，利用環(huán)丁砜將水束縛在反膠束納米域中，阻礙了Grotthuss質(zhì)子傳輸路徑，從而有效抑制了質(zhì)子還原，提高了鋅負極的整體可逆性。

為了嚴格評估不同副反應(yīng)中鋅的可逆性，作者創(chuàng)建了一種改進的CE測試方案，半定量區(qū)分了每個寄生因子對鋅負極整體可逆性的分布。在所開發(fā)的RME中，鋅負極表現(xiàn)出平衡的可逆性，包括強的H₂共析出抑制、增強的死鋅抑制、枝晶抑制、提高的耐腐蝕性和較快的反應(yīng)動力學(xué)。

圖1. RME的結(jié)構(gòu)和水與環(huán)丁砜之間的相互作用

此外，他們開發(fā)并驗證了一種電化學(xué)測試方案，以綜合評估電池的庫倫效率和鋅金屬負極循環(huán)壽命。最后，他們使用反膠束電解液組裝并測試了一個實用的安時型Zn||Zn_0.25V₂O₅·nH₂O多層軟包電池，其初始能量密度為70 Wh L^-1(基于電池組分的體積)，在56 mA g^-1（基于正極活性物質(zhì)）和~25 ℃下循環(huán)390次后容量保持率約為80%，循環(huán)壽命超過5個月。

因此，作者建立的CE測試方案和評價標準可以擴展到其他多價金屬負極(如Al、Mg和Mn)的可逆性，而反膠束結(jié)構(gòu)為新興的電池化學(xué)打開了一條控制離子傳輸和平衡水溶液電解液中副反應(yīng)的可持續(xù)途徑。

圖2. Ah Zn||Zn_0.25V₂O₅·nH₂O多層軟包電池的電化學(xué)性能

Sulfolane-containing aqueous electrolyte solutions for producing efficient ampere-hour-level zinc metal battery pouch cells, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-37524-7

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