近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所胡林華研究員團隊在水系鋅離子電池（AZIBs）電解液研究方面取得了新進(jìn)展。他們通過(guò)在電解液中引入親鋅性馬來(lái)酸鈉添加劑，成功地改變了鋅電極的表面生長(cháng)，從而顯著(zhù)提高了電池的充放電可逆性和循環(huán)穩定性。這一研究成果發(fā)表在國際期刊 Advanced Functional Materials 上。
水系鋅離子電池作為一種環(huán)境友好、安全可靠、成本低廉的儲能系統，備受關(guān)注。然而，鋅枝晶的生長(cháng)問(wèn)題一直是制約其商業(yè)化的主要障礙。枝晶生長(cháng)會(huì )導致電池的可逆性降低，嚴重時(shí)甚至可能導致電池短路。
金屬鋅具有六方密排的晶體結構，其中（002）、（101）和（100）晶面是其晶體學(xué)特征的主要組成部分。在此次研究中，研究人員發(fā)現，鋅（002）晶面具有光滑的原子排列，且原子密度大、表面能低，這導致界面電荷密度均勻，原子結合緊密，有利于Zn2+的均勻沉積和更好的抗腐蝕能力。相比之下，鋅（101）和（100）面的原子排列不光滑，界面電荷分布不均勻，這增加了枝晶生長(cháng)的風(fēng)險。
基于這一發(fā)現，研究人員構建了一種誘導Zn（002）織構同質(zhì)外延電沉積的添加劑電解液策略。通過(guò)馬來(lái)酸鈉（DMA）的吸附調節，成功誘導了Zn（002）織構的生長(cháng)，并抑制了副反應的發(fā)生。在嚴格的電鍍/剝離循環(huán)測試下，使用這種添加劑的Zn//Zn對稱(chēng)電池表現出了超過(guò)3200小時(shí)的循環(huán)穩定性能。即使在極端條件下，如30 mA cm-2和30 mAh cm-2，包含馬來(lái)酸鈉的Zn//Zn對稱(chēng)電池仍能保持120小時(shí)的穩定循環(huán)壽命。
此外，使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩定循環(huán)3000次后，平均庫倫效率高達99.81%。而Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環(huán)10000次后容量保持率仍為92.3%。更令人振奮的是，即使在低N/P比為8.5:1的情況下，Zn//NH4V4O10全電池依然可以穩定循環(huán)超過(guò)5000次，這是普通電池的三倍以上。
此次研究的成功在于通過(guò)吸附馬來(lái)酸鈉分子層對界面鋅離子在不同晶面的遷移行為進(jìn)行調控，從而誘導Zn（002）晶面的生長(cháng)。這為在分子水平上實(shí)現鋅負極優(yōu)勢織構生長(cháng)提供了一種有前景的策略，并有望應用于其他的金屬負極。
固體所博士研究生韋婷婷為論文第一作者，固體所胡林華研究員、李兆乾副研究員和中國科學(xué)院上海高等研究院朱大明研究員為論文通訊作者。該工作得到了合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金的支持。
