由于其低成本、易用性和安全性，水性電解質(zhì)被視為電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的有前途的組分。水系鋅離子電池具有優(yōu)異的工業(yè)適應(yīng)性和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，近年來在水系儲(chǔ)能技術(shù)中受到越來越多的研究。近日，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Guanjie He將水的同位素 (EEI) 電化學(xué)效應(yīng)引入鋅離子電池電解質(zhì)中，以應(yīng)對(duì)嚴(yán)重副反應(yīng)和大量析氣的挑戰(zhàn)。由于D2O中離子的低擴(kuò)散性和強(qiáng)配位性，副反應(yīng)的可能性降低，導(dǎo)致電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口更寬，pH變化更小，循環(huán)過程中氫氧硫酸鋅（ZHS）的生成更少。此外，該研究證明，由于局部離子和分子濃度始終較低，D2O消除了循環(huán)過程中結(jié)合水變化產(chǎn)生的不同ZHS相，從而在電極和電解質(zhì)之間形成穩(wěn)定的界面。采用D2O作為溶劑的電解質(zhì)的全電池表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)性能，在2 A g-1電流密度下，于0.8-2.0 V的寬電壓窗口下穩(wěn)定循環(huán)1,000次。
文章要點(diǎn) 1. 由于D2O中離子的低擴(kuò)散性和強(qiáng)配位性，鋅離子電池循環(huán)過程中副反應(yīng)發(fā)生的可能性降低，導(dǎo)致電化學(xué)穩(wěn)定電位窗口更寬，pH變化更小，循環(huán)過程中氫氧硫酸鋅的生成更少。 2. 此外，研究證明，由于局部離子和分子濃度始終較低，D2O 消除了循環(huán)過程中結(jié)合水變化產(chǎn)生的不同 ZHS 相，從而在電極和電解質(zhì)之間形成穩(wěn)定的界面。 3. 采用基于 D2O 的電解質(zhì)的全電池表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)性能，在2 A g-1的電流密度下，在 0.8-2.0 V 的寬電壓窗口下，1,000 次循環(huán)后顯示出 ~100% 的可逆效率，以及3,000 次循環(huán)，正常電壓窗口為 0.8-1.9 V。 采用D2O作為溶劑的電解質(zhì)的全電池表現(xiàn)出更穩(wěn)定的循環(huán)性能，在2 A g-1電流密度下，于0.8-2.0 V的寬電壓窗口下穩(wěn)定循環(huán)1,000次。 展望 這項(xiàng)工作揭示了重水和普通水電解質(zhì)之間的電化學(xué)同位素效應(yīng)在鋅離子電池中的應(yīng)用。由于動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的差異，基于重水的水性電解質(zhì)表現(xiàn)出比基于普通水電解質(zhì)更寬的電化學(xué)窗口，顯示出對(duì)OER/HER的電活性有限、pH值變化較小和較少氫氧硫酸鋅產(chǎn)生等特性。通過循環(huán)過程中ZHS中結(jié)合水的變化，首次發(fā)現(xiàn)重水抑制循環(huán)過程中不同氫氧硫酸鋅相的生成，從而提供更穩(wěn)定的電極-電解質(zhì)界面。這項(xiàng)工作可以為水系電池電解質(zhì)的合理設(shè)計(jì)和靈活生產(chǎn)提供有意義的見解。而且，重水對(duì)于氫氧硫酸鋅在鋅離子電池循環(huán)過程中相的調(diào)控也將是一個(gè)值得探究的方向。 論文信息 When It's Heavier: Interfacial and Solvation Chemistry of Isotopes in Aqueous Electrolytes for Zn-ion Batteries Xuan Gao, Yuhang Dai, Chengyi Zhang, Yixuan Zhang, Wei Zong, Wei Zhang, Ruwei Chen, Jiexin Zhu, Xueying Hu, Mingyue Wang, Ruizhe Chen, Zijuan Du, Fei Guo, Haobo Dong, Yiyang Liu, Hongzhen He, Siyu Zhao, Fangjia Zhao, Jianwei Li, Ivan P. Parkin, Claire J. Carmalt, Guanjie He Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202300608
