鋅離子電池的實際應用面臨著傳統電解質中枝晶生長、副反應和陰極溶解等挑戰。在這里，開發了一種高導電性和動態離子篩選的電解質，同時提高鋅金屬的可逆性和抑制陰極溶解。在電極/電解質界面上，通過半徑為3.69 Å的多個旋烷環實現了動態屏蔽，選擇性地促進了[Zn(H
2O)
6]
2+和Zn
2 +在陽極和陰極表面的電鍍/剝離和插入/提取過程。作為概念證明，Zn//Zn對稱電池提供了超過6,800 h的卓越循環穩定性和1.95 Ah cm
−2的超高累積鍍容量。鋅/Na
2Mn
3O
7電池具有良好的循環性能，循環4000次后容量保持率為82.7%，組裝后的袋狀電池具有良好的穩定性和耐用性。這項工作為開發旨在提高水性電池界面穩定性的電解質提供了有價值的見解
圖1. 與傳統的ZnSO
4電解質相比，設計的HCDISE的強化機理示意圖。
圖2. a) MD模擬得到的HCDISE三維圖像和相應的Zn
2+溶劑化結構。b)在HCDISE的MD模擬中收集的RDF和c) Zn
2+-O的配位數。d)不同HDP濃度下ZnSO
4的
2H NMR譜和e) FTIR譜。f)不同EHS濃度下ZnSO
4的
2H NMR譜和g) FTIR譜。h) Zn-H
2O、Zn-EHS、Zn-HDP、H
2O-EHS和H
2O-HDP的結合能及其結構。i) [Zn(H
2O)
6]
2+和[Zn(H
2O)
5EHS]
2+分子的靜電勢圖。
圖3. a) HDP、EHS和H
2O分子的LUMO、HOMO等表面。b) Zn-H
2O、Zn-EHS、Zn-HDP的吸附能。c)原始和EHS調節的水合離子結構的部分態密度(PDOS)。d)不同電解質接觸角試驗。e)不同電解質下的Arrhenius曲線和活化能。f) HCDISE的Zn
2+轉移數。
圖4. a) -c)純ZnSO
4和d) -f)鍍30,60和90 min后的HCDISE鋅陽極的SEM圖像。g) HCDISE的HRTEM圖像和SAED圖案。h) HCDISE沉積后鋅陽極的XRD圖譜。i) Zn沉積過程的原位光學顯微照片。j)、k)沉積90 min后Zn陽極的LSM圖像和相應的表面粗糙度曲線。l)純ZnSO
4和HCDISE在-150 mV過電位下Zn陽極的時程電流圖。插圖:Zn
2 +擴散和還原過程的類型。
圖5. a)鋅陽極在不同電解質中的Tafel腐蝕曲線。b)滴注不同體積KOH溶液后，純ZnSO
4電解質和HCDISE的pH值。c) Zn/ Ti電池在1 mA cm
-2 /0.5 mA h cm
-2下的CE圖和d)不同循環下的相應電壓分布圖。e)在0.5 ~ 8 mAcm
-2的不同電流密度下，HCDISE和純ZnSO
4電解質在Zn// Zn對稱電池中鋅陽極剝離/鍍鋅電壓分布圖。f)含HCDISE和純ZnSO
4電解質的對稱電池的Arrhenius曲線。HCDISE和純ZnSO
4電解液Zn//Zn電池在電流密度為g) 0.5 mA cm
-2 /0.5 mAh cm
-2和h) 1 mA cm
-2 /1 mA cm
-2時剝離/鍍鋅的電壓-時間曲線比較i)本研究實現的循環可逆性與以往研究結果的比較。j) HCDISE中鍍鋅行為示意圖。
圖6. a)純ZnSO
4和HCDISE對Zn//NMO細胞CV曲線的影響。b)各峰對應的log(i)與log(v)曲線圖。c)純ZnSO
4和d) HCDISE對Zn//NMO電容貢獻的比較。e)用純ZnSO
4和HCDISE制備Zn//NMO的速率性能。f)在電流密度為2 A g
-1時，純ZnSO
4和HCDISE對Zn//NMO的容量保持。g)本研究取得的績效與其他ZIBs記錄的結果的比較。h)大規模涂覆NMO的Ti箔光學圖像。i) Zn/ NMO袋狀電池示意圖。j)電流密度為50mA g
-1時Zn//NMO袋狀電池的容量保持率。k) Zn//NMO袋狀電池在初始、串聯和并聯配置下的電位曲線。
圖7.a) HDP與NMO的電荷密度差(帶有半透明黃色色調的團簇表明電子密度升高，而帶有氰色的團簇表明電子密度降低)。b) NMO在純ZnSO
4和HCDISE中浸泡不同時間后的XRD譜圖。c)兩種電解質與陰極的接觸角。d)第二循環的電壓曲線和陰極的非原位XRD圖。e) Zn 2p的二維輪廓圖f) Mn 2p的XPS光譜。g)電化學過程中Zn
2+在NMO陰極可逆嵌入/脫嵌的示意圖。
相關研究成果由中國科學院深圳先進技術研究院
Cuiping Han和Hui-Ming Cheng課題組2024年發表在Angewandte (鏈接: https://doi.org/10.1002/anie.202412853)上。原文：A Dynamically Ion-Sieved Electrolyte towards Ultralong-Lifespan Zn-Ion Batteries
轉自《石墨烯研究》公眾號
