湖南大学 梁宵教授 Angew：糖衍生物作为深度可逆锌金属阳极电解质添加剂的分子工程研究

锌负极上的枝晶形成和副反应会严重影响锌离子电池的循环性能，尤其是在高放电深度（DOD）和全电池低负极/正极容量比（N/P）的情况下。在此，我们借鉴主客体相互作用化学原理，通过分子设计研究电解质添加剂分子结构（特别是-COOH和-OH基团）对锌负极的影响。我们的研究结果表明，含有这些基团的分子在锌负极表面表现出很强的吸附性，并与Zn2+螯合，形成一个贫H2O的内亥姆霍兹平面。这有效地抑制了副反应，促进了暴露 (002) 面的无枝晶锌沉积，提高了稳定性和可逆性，在引入乳糖酸 (LA) 添加剂后，平均库仑效率达到99.89%。在92% DOD的苛刻条件下，Zn//Zn 电池能在15 mA-cm-2的高电流密度下稳定循环。即使在1.3的低 N/P 比条件下，使用LA电解液的Zn//NH4V4O10全电池在循环300 次后仍能保持73%的高容量，大大超过空白电解液。此外，在具有高面容量(~ 5 mAh·cm-2)的转换型Zn//Br静态电池中，LA电解质保持了700次循环的提高的循环稳定性。

图文简介

( a )添加剂的结构式。( b ) Zn箔在不同电解液中浸泡3 天的光学图像。相应的( c )浸泡Zn箔的SEM图像和( d ) XRD。( e ) Zn箔与不同电解液的接触角。( f )不同电解液的双电层电容。

( a )不同电解质的1H NMR。( b ) Ga，Zsga，La，Zsla溶液的13C NMR。( c )不同电解质对v ( SO42- )的拉曼光谱。( d )拟合了电解质在O-H伸缩振动区域的拉曼光谱。( e )对称电池在不同电解液中的开路电位。( f ) ZS、ZSGA和ZSLA电解液中的Arrhenius曲线及对应的活化能。( g ) ZS、ZSGA和ZSLA电解液中典型的Zn2+溶剂化结构。( h )不同电解液中锌负极在1 m A · cm -2和1 mAh · cm - 2下电镀/剥离10 次后的SEM图。( i )不同电解液的Zn//Zn对称电池的电压曲线。

在( a ) ZSLA和( b ) ZS电解液中，不同电流密度下电镀1 小时后锌阳极的XRD图谱。( c )锌阳极在不同电流密度下电沉积1 小时后对应的SEM图，标尺为10 μm。( d ) ZS和ZSLA电解质的γsl/η图描述了固体、液体和气体的界面张力和接触角(用蓝色虚线框表示)，以及随γsl/η比值变化的初始成核行为(用橙色仪表盘表示)。( e )在-150 mV的固定过电位下，测试了Zn箔在ZS和ZSLA电解液中的恒电位电流-时间瞬态曲线。( f ) LA/H2O分子在Zn ( 002 )、( 100 )和( 101 )晶面上的Eabs，以及Zn2+在LA / Zn不同晶面上的Eabs。

采用ZS和ZSLA电解质的Zn//Zn对称电池在( a ) 5 mA · cm-2，( b ) 10 mA · cm -2下的性能。( c )不同当前密度下的CPC与近期出版的作品的比较。采用ZS和ZSLA电解液的Zn//Zn对称电池在( d ) 10 mA · cm-2 ( DOD = 61 % )和( e ) 15 mA · cm-2 ( DOD = 92 % )下的性能。( f )使用ZS和ZSLA电解液的Zn//Cu非对称电池在1 mA · cm -2下的CE。

( a )使用ZSLA和ZS电解液的Zn//NH4V4O10全电池在5 A · g -1下的循环稳定性。( b ) Zn//NH4V4O10电池在5 A · g -1下的循环稳定性，N/P比值为1.3。( c ) Zn//NH4V4O10全电池在ZSLA和ZS电解液中的比容量-电压曲线。( d ) Zn//NH4V4O10电池在ZSLA和ZS电解液中的倍率性能。( e )与最近有关电流密度、DOD 和 N/P 比的报告进行比较。( f ) Zn//Br全电池在ZSLA和ZS电解液中100 mA · g -1的循环稳定性。( g ) Zn//Br全电池在ZSLA和ZS电解液中的容量-电压曲线。

论文信息

通讯作者：Xiao Liang