AFM: 从 “锌” 出发：吡啶衍生物侧链引领电池性能飞跃之旅

文章总结

研究背景：水系锌离子电池（AZIBs）是大规模储能的候选者，但锌阳极的低可逆性限制了其性能，源于内亥姆霍兹平面（IHP）内水分子分解和锌沉积混乱，导致库仑效率低等问题。吡啶类有机添加剂可调节 IHP 结构，但吡啶结构尤其是支链对吸附行为等的影响有待研究。

实验设计：筛选出 2 - 氯 - 1 - 甲基吡啶碘化物（CMPI）和吡啶 - 2 - 乙醛肟甲基碘化物（PAMI），将其添加到 2 mol/L 硫酸锌电解液中。通过多种实验方法，如电池性能测试、电化学测试、光谱分析、显微镜观察等，研究添加剂对电池性能、锌阳极腐蚀、锌沉积过程等的影响，并结合理论计算阐释其作用机制。

实验结果

电池性能提升：低浓度添加剂对锌对称电池长循环能力影响小，1 mmol/L 及以上浓度时，PAMI 和 CMPI 提高了 Zn||Cu 电池库仑效率，延长了 Zn||Zn 对称电池循环寿命，抑制了副产物生成。

抑制腐蚀与均匀沉积：CMPI 抑制锌阳极腐蚀效果最佳，降低腐蚀电流、提高腐蚀电位。原位光学显微镜和 SEM 显示，CMPI 使锌沉积均匀、无枝晶，PAMI 次之，纯电解液最差。

添加剂作用机制：理论计算和实验表明，CMPI 和 PAMI 优先吸附在锌阳极表面，CMPI 对 EDL 重构作用更强。CMPI 降低 Zn²⁺扩散迁移能垒，提高离子迁移数，抑制析氢反应，促进均匀锌沉积。在不同电池体系测试中，含 CMPI 电解液的电池循环稳定性、倍率性能等更优。

研究结论：设计的新型电解液显著增强了锌基电池的氧化还原可逆性和循环稳定性。CMPI 通过形成疏水阳离子吸附通道、贫水亥姆霍兹平面和 ZnI 固体电解质界面层，协同调节锌沉积 / 剥离动力学过程。该研究为高性能阳离子添加剂筛选和电解液设计提供了理论和实验依据，也为提升其他水系电池性能提供了新策略.

图文简介

将 PAMI 和 CMPI 添加剂用于具有无枝晶和重构双电层（EDL）结构的水系锌离子电池（AZIBs） 。

a) 在电流密度为 1 毫安 / 平方厘米、面积容量为 1 毫安时 / 平方厘米的条件下，使用不同电解液的 Zn||Cu 电池的库仑效率（CE）。b) 在不同电解液中循环 50 次后锌阳极的 X 射线衍射（XRD）图谱。c) 不同电解液中锌阳极的塔菲尔（Tafel）曲线。d) 硫酸锌（ZSO）、e) ZSO + PAMI、f) ZSO + CMPI 电解液中锌电镀过程的原位光学显微镜图像。在电流密度为 1 毫安 / 平方厘米、面积容量为 1 毫安时 / 平方厘米的条件下，经过不同循环次数后，g) ZSO、h) ZSO + PAMI、i) ZSO + CMPI 电解液中锌阳极的扫描电子显微镜（SEM）图像。

a) 三种电解质的电化学阻抗谱（EIS）图。b) ZSO 和 ZSO + CMPI 的 Zn||Zn 对称电池在极化前后的 EIS 曲线。c) 不同电解质条件下电池的锌离子迁移数。d) Zn 电极在 ZSO 和 ZSO + CMPI 电解质中的线性扫描伏安法（LSV）曲线。e) 不同电解质的 Zn 对称电池在 - 150 mV 恒定过电位下的计时电流法（CA）曲线。f) Zn||Zn 电解电池中用于电沉积的 CMPI 电解质示意图。g) ZSO、h) ZSO + PAMI、i) ZSO + CMPI 电解质在 10 mA 电沉积后锌阳极表面的 3D 超深度光学图像。

全电池的电化学性能

论文信息

通讯作者： Li Tao, Yi Wang, Hao Wang