水系可充電鋅金屬電池憑借高容量、低成本、本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì),在電動(dòng)車、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。然而,鋅枝晶生長(zhǎng)、電解液副反應(yīng)和正極結(jié)構(gòu)退化等問題,尤其是在高面容量、低電流密度和低負(fù)正容量比(N/P)等實(shí)用化條件下這些問題更加突出,嚴(yán)重制約了其商業(yè)化進(jìn)程。
傳統(tǒng)稀水溶液中,鋅離子與水分子形成緊密的溶劑化鞘層,不僅導(dǎo)致水和鋅離子傳輸緩慢、負(fù)極鋅枝晶生長(zhǎng),還引發(fā)析氫反應(yīng)和正極腐蝕等問題。高濃度電解質(zhì)和局部高濃度電解質(zhì)能改善鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu),減少水分子在溶劑化結(jié)構(gòu)的參與并同時(shí)引入陰離子,是解決上述問題的路徑之一。然而,(局部)高濃電解質(zhì)成本高、粘度大,其界面雙電層結(jié)構(gòu)仍受體相溶劑化結(jié)構(gòu)限制,這些電解液仍依賴高鹽濃度,實(shí)際應(yīng)用受限。
近日,上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/張江高等研究院的黃富強(qiáng)&林天全團(tuán)隊(duì)提出了一種界面增強(qiáng)的局部高濃度電解液設(shè)計(jì)策略,該電解液由三氟甲烷磺酸鋅(Zn(OTf)?)、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽(emimOTf)以及體積比為1:1的1,4-二氧六環(huán)(DX)和水組成。如圖1所示,通過emim?陽離子與 DX 之間的相互作用,DX分子被引入雙電層,形成了從本體電解質(zhì)到電極界面的全面稀釋效應(yīng),在電極界面構(gòu)建了富陰離子、貧水的雙電層結(jié)構(gòu)。這種界面與體相協(xié)同調(diào)控可增強(qiáng)Zn2?的傳輸動(dòng)力學(xué),抑制鋅枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng),同時(shí)促進(jìn)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面的形成。
基于上述界面增強(qiáng)的局部高濃度電解液的全電池在N/P 比為1.77 的條件下,以 0.2 A g?1的電流密度循環(huán) 300 次后,容量保持率達(dá) 80%,如圖2所示,展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖1. 界面增強(qiáng)的局部高濃電解液設(shè)計(jì)原理。 圖2. 基于界面增強(qiáng)的局部高濃電解液的全電池循環(huán)性能。 該電解液設(shè)計(jì)為高能量密度鋅電池提供了低成本、高穩(wěn)定性的解決方案,有望推動(dòng)水系鋅電池未來在規(guī)模儲(chǔ)能、中低速電動(dòng)車的動(dòng)力電池等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。此外,該論文提出的“界面-體相協(xié)同調(diào)控”的電解液設(shè)計(jì)理念可為鋰、鈉等其他金屬電池的電解質(zhì)開發(fā)提供借鑒,通過調(diào)控稀釋劑極性或引入功能性添加劑,可進(jìn)一步優(yōu)化SEI組分,提升低溫性能。此外,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)篩選離子液體-稀釋劑組合,或開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合體系,將是突破能量密度天花板的關(guān)鍵。 論文信息 Co-Regulation of Interface and Bulk for Enhanced Localized High-Concentration Electrolytes in Stable and Practical Zinc Metal Batteries Tao Li Hange Yang, Xinji Dong, Hexian Ma, Jinghua Cai, Chenyu Wei, Tao Zhang, Shicong Zhang, Fuqiang Huang, Tianquan Lin 文章的第一作者是上海交通大學(xué)博士研究生李濤。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202501183