安大张朝峰教授团队：低成本多功能电解质添加剂为高可逆性水系锌电提供稳定的界面化学环境

【研究背景】

目前的水系锌离子电池（AZIBs）面临着严重的金属负极腐蚀、锌枝晶生长和寄生副反应等挑战。在传统的AZIBs中， Zn2+的沉积成核倾向于聚集在突起处，从而使表面能最小化，导致锌枝晶的恶化生长。锌枝晶的持续生长会导致循环寿命较差，库仑效率（CE）降低，死锌的产生，甚至是短路。此外，Zn2+溶剂化鞘结构中的六个水分子具有较高的反应活性，在脱溶剂化过程中容易参与析氢反应（HER）。HER可诱导局部pH波动，加速非活性副产物（Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O）的生成，以及气体的积累，引发电池膨胀甚至爆炸。所有这些现状都阻止了水系锌离子电池的大规模应用。许多研究者付出努力致力于解决这些挑战，如负极设计，电解质工程，和界面修饰。其中，电解质添加剂具有简单、高效、成本低等优点被认为是稳定锌阳极和界面的有效途径。目前，迫切需要开发多功能型电解质添加剂，从而满足锌阳极实际应用的需求。

【工作介绍】

近日，安徽大学张朝峰教授课题组等人利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为水系锌离子电池电解液添加剂，极大地提升了电池可逆性和安全性。研究结果对引入多功能电解质添加剂以开发高性能AZIBs具有重要的实际意义。该文章以Low-Cost Multi-Function Electrolyte Additive Enabling Highly Stable Interfacial Chemical Environment for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Batteries为题，发表在材料领域知名期刊Advanced Functional Materials上。硕士研究生刘子翔、博士研究生王睿和本科生高宇晨为本文第一作者。安徽大学张朝峰教授和澳大利亚阿德莱德大学张仕林研究员为通讯作者。

【内容表述】

CTAB可以吸附在锌阳极表面，调节Zn²⁺的沉积取向，抑制枝晶的形成。另外，CTAB还改变了Zn²⁺的溶剂化结构，以降低水的反应性，减少副反应。此外，CTAB优化了电解质的关键理化参数，增强了电极/电解质界面的稳定性，促进了AZIBs的可逆性。理论模拟结合基于原位傅里叶变换红外光谱和原位电化学阻抗光谱，进一步证实了修饰后的Zn²⁺配位环境和CTAB阳离子在负极/电解质界面的吸附效应。结果表明，组装好的Zn-MnO₂电池在经过1000次循环后，在高电流密度为4Ag⁻¹时，显示出显著的比容量为126.56mAhg⁻¹。这项工作突出了CTAB作为一种很有前途的解决方案的潜力，以提高大规模储能应用的性能和实用性。

通过大量的材料表征、电化学测试和理论计算，进一步说明了用CTAB添加剂提高电解质性能的机理和原因。

在实验中使用了两种不同的电解质：一种由1M硫酸锌组成的基准电解质（BE），另一种由1 M硫酸锌和0.2 M CTAB添加剂组成的优化电解质（0.2 M CTAB-ZS）。此外，制备了不同浓度的CTAB（0.1/0.3/0.4 M CTAB-ZS）的电解质。

图1 电解质的机理示意图和理化表征。a，b)含/不含CTAB的电解质中锌沉积的示意图。c)数字图像，d，e)拉曼光谱，f)含有不同CTAB含量的电解质的FTIR光谱。g) pH值，h)离子电导率值，i)含有不同CTAB含量的电解质的接触角。

图2 高度可逆镀锌/剥离的表征和电化学分析。使用a) BE和b) 0.2 M CTAB-ZS循环后的锌阳极的扫描电镜图像。锌阳极的XRD模式c)循环后和d)使用含/不含CTAB的电解质浸泡后。e)使用有/无CTAB电解质的锌/锌对称电池的过电位。f)在电流密度为2 mA cm⁻²时，使用不同CTAB含量的电解质对锌/锌对称电池进行恒流充放电测试。

【结论】

总之，作者开发了一种经济有效的添加剂CTAB，作为一种用于高性能、长寿命的AZIBs的多功能电解质添加剂。CTAB能有效调节电解质参数，增强锌阳极表面功能，调节Zn2+溶剂化鞘层，可协同抑制树突、副反应和化学腐蚀。实验表明，当使用CTAB添加剂时，Zn/Zn对称电池可在2 mA cm⁻²和1mAhcm⁻²下运行2000小时。值得注意的是，Zn-MnO₂电池保持了高放电比容量，即使在软包电池配置中也有较好的应用。作者的研究结果提出了一种简单而有效的电解质设计方法，促进了水溶液电解质的实际应用，并推动了高性能、低成本、长寿命的AZIBs的发展。

Zixiang Liu, Rui Wang, Yuchen Gao, Shilin Zhang, Jiandong Wan, Jianfeng Mao, Longhai Zhang, Hongbao Li, Junnan Hao, Guanjie Li, Lin Zhang, Chaofeng Zhang, Low-Cost Multi-Function Electrolyte Additive Enabling Highly Stable Interfacial Chemical Environment for Highly Reversible Aqueous Zinc Ion Batteries, Advanced Functional Materials, 2023.

本篇文章来源于微信公众号: 能源学人