湖北大学王浩教授团队:简单电解质策略实现高度可逆的锌离子电池

锌金属电池在大规模存储中显示出巨大的应用，但仍然受到水性电解质腐蚀和界面水分解反应的阻碍。在此，湖北大学王浩教授、万厚钊副教授&南洋理工大学Bao Zhang团队提出了一种含有琥珀腈(SN)添加剂的疏锌电解质，SN电解质对锌的亲和力较低，但对固态界面(SEI)的亲和力较强。在SN电解液中，氢氧化锌硫酸盐(ZHS)更倾向于水平堆积，在Zn负极表面形成致密的SEI保护层，有效减缓Zn的腐蚀和枝晶生长。疏锌SN电解液具有优异的性能：镀锌/剥离库仑效率为99.71%，平均循环400次；在对称电池中稳定循环4000小时(0.9%锌利用率)和325小时(86.1%锌利用率)。使用有限锌的软包电池可提供57.0 Wh kg-1的最大能量密度(基于阴极材料和阳极材料的质量负载)。这种简单的添加剂策略为温和电解质环境下的锌化学在实际应用中提供了理论参考。

这一研究以“Zincophobic Electrolyte Achieves Highly Reversible Zinc-Ion Batteries”（疏锌电解质实现高度可逆的锌离子电池）为标题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上，湖北大学王浩教授、万厚钊副教授&南洋理工大学Bao Zhang为共同通讯作者。（原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300795）

图1

a)疏锌但SEI亲和电解质的示意图。b)SN电解质和普通电解质中两种生长状态下自由能和自由能的计算表达式。c)接触角测试和相应的详细表面能。d)两种电解质中自由能变化量的比较。

图2

在a)SN电解液和b)普通电解液中循环后的表面SEM。c)SN电解质中SEM剖面图和d)Zn、e)S、f)O的EDS。g)普通电解质中SEM剖面图和h)Zn、i)S、j)O的EDS。k)H-SEI和l)V-SEI的3D白光轮廓。m)SN电解质和n)普通电解质的原位光学测试。

图3

a)普通电解质中Zn2+和SO42-的密度分布。b)SN电解液中Zn2+、SO42-和SN的密度分布。c)H2O和SN在Zn(001)和ZHS上的吸收能。d)刻蚀前后S 2p轨道的XPS结果。e)SEI组分的XRD光谱分析。f)SEI的拉曼光谱。g)不同SN添加量的电导率趋势图。h)SN电解液在不同温度下的EIS。i)Arrhenius曲线。

图4

a)SN电解液的CE曲线。b)普通电解液的CE曲线。c)两种电解液长循环的CE测试比较。d)小DOD下的对称电池寿命测试。e)大DOD下的对称电池寿命测试。f)两种电解质的腐蚀极化曲线。g)极化前后普通电解质和EIS中的恒电位仪极化曲线。h)Zn2+转移数与近期发表的比较。

图5

a)纽扣电池在20 A g-1下的循环寿命测试。b)两种电解质的CV曲线。c)软包电池的恒电流充放电(mMVO:mZn=1:2)。d)SN电解液中循环Zn板的SEM。e)在普通电解液中循环的锌板的SEM。f)软包电池循环测试(mMVO:mZn=1:3)。g)切割测试及其红外热成像。

总之，本文开发了一种电解质添加剂的方法，通过形成超常的疏锌电解质来提高锌阳极的性能。这种电解质改变了ZHS的堆叠模式并趋于水平，从而原位形成致密的SEI。最终，H-SEI成为Zn2+的良好扩散通道和Zn阳极的保护层。因此，使用SN电解液的Zn负极表现出99.71%的平均CE和超过4000小时的稳定循环电镀/剥离。更令人印象深刻的是，即使在86.1%的DOD下，Zn阳极也能保持稳定的电镀/剥离超过325小时。使用SN电解液的MVO//Zn纽扣电池和软包电池均实现了长期无枝晶循环。这项工作为设计高综合性能水系电池的电解质提供了一种有前途的策略。