水系鋅離子電池因其具有較大的比容量及極高的安全性，有望成為未來能源存儲器件的主要補充方式。然而，制約其快速發(fā)展的瓶頸問題在于鋅負極穩(wěn)定性不足及鋅離子傳輸受限。通過錨定陰離子是固態(tài)電池中提升陽離子傳輸數(shù)的高效策略，可以合理推測其同樣可以遷移到其他電池體系起作用。
在水溶液中進行工作的鋅離子電池正負極都將受到電解質(zhì)中陰離子的各種不利影響，通過適當?shù)娜軇┗{(diào)控手段可以部分抑制其負面影響，但難以高效地對正負極同時實現(xiàn)優(yōu)化。
近日，暨南大學麥文杰教授與香港城市大學支春義教授等人受主客體相互作用的啟發(fā)，創(chuàng)新性地將β環(huán)糊精（β-CD）作為高效限制陰離子的電解液添加劑，同時實現(xiàn)了高效提升鋅離子傳輸能力及調(diào)控鋅（002）優(yōu)勢取向，從而顯著地抑制鋅負極表面各類有害寄生反應，并且全面提升鋅離子全電池器件的儲能比容量及循環(huán)壽命。
通過各種量子化學計算及譜學、熱學表征技術等，可以有力證明β-CD與ClO4-陰離子具有較強的主客體相互作用（主要體現(xiàn)為氫鍵作用），這有利于高效限制電解液環(huán)境中陰離子的自由遷移，從而極大降低Zn2+的遷移能壘。 基于第一性原理DFT計算及各種晶相、織構(gòu)和掃描電鏡表征手段可知，β-CD包結(jié)ClO4-的復合體系可以有效調(diào)控金屬鋅不同晶面對鋅離子的吸附能大小，從而實現(xiàn)誘導低表面能Zn (002)生長的結(jié)果，有利于高效抑制鋅負極枝晶及各類副產(chǎn)物生成。 進一步通過分子動力學模擬分析、有限元仿真及電化學測試等各種策略，可以有效證實β-CD通過固定ClO4-，極大提升了鋅離子傳輸數(shù)（從0.457到0.878），從而能夠進一步有效穩(wěn)定鋅負極，實現(xiàn)長循環(huán)穩(wěn)定性。 基于上述Zn (002)優(yōu)勢晶面的優(yōu)先生長促使鋅負極穩(wěn)定工作，以及鋅離子傳輸數(shù)的提升，引入β-CD添加劑的Zn-MnO2全電池實現(xiàn)了超過50%的比容量提升及顯著優(yōu)化的長循環(huán)穩(wěn)定性。這一電解液工程設計思路將為未來調(diào)控電解液體系以共同提升鋅基電池整體性能帶來較多啟發(fā)。 論文信息 Anion-trap Engineering toward Remarkable Crystallographic Reorientation and Efficient Cation Migration of Zn Ion Batteries Meijia Qiu, Peng Sun, Yu Wang, Liang Ma, Chunyi Zhi, Wenjie Mai Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202210979
