鋅金屬負極具有較高理論容量(820 mAh g-1)、較低氧化還原電位(與標準氫電極相比-0.763 V)，儲量豐富，因此水系鋅離子電池（ARZBs）在電網(wǎng)級儲能裝置中很有前景。然而陰極不穩(wěn)定，電解液的寄生反應，以及鋅（Zn）陽極枝晶生長等問題仍然阻礙著ARZBs的商業(yè)化應用。目前已提出許多先進策略來解決上述問題，如界面優(yōu)化，電解液優(yōu)化，鋅負極結構設計等。其中電解液作為連接陰/陽極的橋梁，其性質不可避免地會影響陰/陽極的性能，因此電解液優(yōu)化被認為是一種簡單經(jīng)濟的實用方法。
近日，中南大學周江教授&陳根教授團隊以高介電常數(shù)的環(huán)丁砜（TMS）作為水合共晶電解質的組成部分，在重組電解液氫鍵結構抑制電解液分解和調(diào)控鋅負極雙電層結構抑制枝晶生長的同時實現(xiàn)溶劑化共嵌入的儲能機制，從而實現(xiàn)三個方面性能共同提升的Zn||NH4V4O10（NVO）電池。
相對于H2O，TMS具有更大的偶極矩（7.6），和更高的介電常數(shù)（42.5），理論的第一性原理（DFT）和分子動力學（MD）計算表明，高極性的TMS更容易進入Zn2+溶劑化結構，并可以破壞H2O之間的弱氫鍵作用，形成新的TMS···H2O強氫鍵作用，從而將電化學穩(wěn)定窗口（ESW）拓寬至4.08 V。此外，TMS具有優(yōu)異的親鋅性，優(yōu)先吸附的TMS可以增加Zn負極表面雙電層（EDL）厚度，從而提供了一個屏蔽緩沖層，延緩Zn2+沉積并抑制Zn2+的平面擴散，使Zn陽極的沉積更平整。組裝的Zn||NVO全電池體系中，在合適比例的（TMS與H2O摩爾比大于1：5）水合共晶電解液下，TMS可以與Zn2+形成強配位對，從而實現(xiàn)溶劑共插層（(Zn-TMS)2+）的儲能機制，插層的TMS以"支柱"的形式存在于NVO中，從而穩(wěn)定了陰極的結構，并提供了額外的Zn2+結合位點。 得益于電解液對上述三方面的共同改善，在最優(yōu)水合共晶電解液中（TMS與H2O摩爾比為1：1），Zn||Zn對稱電池實現(xiàn)了超過1800小時的循環(huán)穩(wěn)定性，Zn||NVO全電池在0.2 A g-1的低電流密度下可持續(xù)穩(wěn)定運行40多天，比容量高達515.6 mAh g-1。這種多功能電解質和溶劑共嵌入機制將極大地推動水系電池的實用化發(fā)展。 論文信息 Triple-function Hydrated Eutectic Electrolyte for Enhanced Aqueous Zinc Batteries， Angewandte Chemie International Edition. Yunpeng Zhong, Xuesong Xie, Zhiyuan Zeng, Bingan Lu, Gen Chen*, Jiang Zhou* 文章第一作者是中南大學的碩士研究生鐘云朋。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202310577
