科學(xué)島團隊在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展
近期，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電解液研究方面取得新進(jìn)展，通過(guò)在水系鋅鹽電解液中引入絲氨酸陽(yáng)離子（ Ser+， C3H8NO3），實(shí)現鋅（100）面擇優(yōu)取向生長(cháng)，有效抑制了鋅枝晶生長(cháng)，極大提升了電池充放電可逆性和循環(huán)穩定性能。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊 Advanced Energy Materials上。
水系鋅離子電池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、環(huán)境友好性和成本效益而引起了廣泛的關(guān)注。然而，鋅枝晶生長(cháng)會(huì )引起較差的可逆性，嚴重時(shí)會(huì )引發(fā)電池短路，是水系鋅離子電池商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。鋅(100)面具有較高的表面能，鋅負極的成核和沉積易沿[100]方向進(jìn)行，但較高的反應活性會(huì )誘發(fā)副反應，損害鋅陽(yáng)極的可逆性和電池的循環(huán)穩定性能。因此，抑制鋅（100）方向生長(cháng)可以有效地緩解枝晶生長(cháng)和副反應的問(wèn)題。
研究人員構建了一種采用絲氨酸（Ser）作為界面結構調節劑的（100）面終止策略。通過(guò)絲氨酸陽(yáng)離子的吸附調節，誘導Zn(100)織構生長(cháng)并抑制副反應發(fā)生。在5 mA cm-1和5 mAh cm-1的電鍍/剝離循環(huán)下，使用改性電解質(zhì)的Zn//Cu電池達到99.8%的平均庫倫效率，Zn//Zn對稱(chēng)電池表現出800小時(shí)以上的循環(huán)穩定性能。Zn//V2O5扣式電池展現出345.1 mAh g-1的高放電容量，并且在5 A g-1下循環(huán)2000次后仍保持255.4 mAh g-1。組裝的軟包電池也具備良好的穩定性，顯示了Ser/ZnSO4電解液的實(shí)際應用潛力。
該研究通過(guò)吸附絲氨酸離子對鋅離子在（100）表面遷移行為的調控，為分子水平上實(shí)現鋅陽(yáng)極優(yōu)勢織構提供了一種有前景的策略，并有望應用于其他穩定性和可逆性差的金屬陽(yáng)極。
上述研究得到了合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金的支持。
論文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202301517
圖1. 添加（左）和不添加（右）絲氨酸的鋅沉積行為示意圖。
圖 2. ( a) 10 mA cm-2下， Zn在 Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積的 SEM形貌演變圖，比例尺： 20 μ m； (b) 10 mA cm-2下，在純 ZnSO4(上圖 )和 Ser/ZnSO4(下圖 )電解質(zhì)中沉積的 Zn SEM形貌演化圖像，比例尺： 100 μm； ( c) Zn電極沉積 0、 15、 30、 45、 60 min后的原位光學(xué)顯微鏡圖像（上方為 ZnSO4電解液中，下方為 Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積）； ( d) 10 mA cm-2下，鋅在純 ZnSO4(右 )和 Ser/ZnSO4(左 )中沉積不同時(shí)間的 XRD圖； ( e-d)圖中 (100)和 (002)面之間的強度比； ( f) Ser+吸附在 Zn(002)、 (100)、 (101)表面的圖示及其相應吸附能； ( g) Ser+吸附在 Zn晶面后， Zn離子在不同晶面上的吸附能。
