01

導讀

可充電鋅電池(RZBs)具有多種優勢被認為是下一代電化學設備的有力競爭者。然而，由于水性體系中復雜的反應動力學，傳統的水性電解質可能通過快速容量衰減和差的庫侖效率(CE)對長期電池循環造成嚴重危害。

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成果簡介

該工作提出了采用質子酰胺溶劑N-甲基甲酰胺(NMF)作為鋅電池電解質的新方法，其具有高介電常數和高閃點，同時促進快速動力學和電池安全性。在N-甲基甲酰胺（NMF）與三鋅氟酸鹽結合的（Zn-NMF）電解質中無枝晶和粒狀鋅沉積確保了在2.0 mA cm-2/2.0 mAh cm-2下2000 h的超長壽命、99.57 %的高CE、寬電化學窗口(3.43 V vs Zn2+/Zn)和高達10.0 mAh cm-2的容量。這項工作揭示了質子非水電解質的高效性能，這將為促進安全和高能量密度的RZBs提供新的機會。

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關鍵創新

（1）作者首次將N-甲基甲酰胺(NMF)作為鋅電池的電解質；

（2）使用Zn-NMF的鋅電池實現了超長的循環壽命（2000 h，2.0 mA cm-2/2.0 mAh cm-2）、高面積容量（10.0 mAh cm-2）、高庫倫效率（99.57 %）和寬電壓窗口（3.43 V vs Zn2+/Zn）。

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核心內容解讀

圖1 a-b)Zn||SS在Zn-NMF和水溶液（含Zn（OTf）2和硫酸鋅鹽）電解質中不對稱電池組裝得到的LSV曲線。在c)水溶液和d) Zn-NMF電解質的電流密度下，Zn||Zn對稱電池在恒電流放電時的照片。e-f)有（左）和無（右）火源的NMF溶劑的易燃性試驗。g)在不同電流密度下，在Zn-NMF電解質中循環的Zn||Zn對稱電池的恒電流放電曲線。

Zn||SS（不銹鋼）不對稱電池的線性掃描伏安法（LSV），測定NMF溶劑和Zn-NMF電解質對鋅金屬電極的穩定性的影響。氧化過程中Zn-NMF電解質的分解受到了顯著的抑制。循環過程中的光學圖像表明，Zn-NMF電解質中沒有H2的演化。此外，在圖1e-f中還提供了對Zn-NMF電解質的火焰測試，顯示了其不易燃的性質。

圖2 a-b)恒電流充放電曲線和c)Zn||Zn對稱電池在不同電流密度下在Zn-NMF電解質中循環的倍率性能。

為了研究鋅電極在Zn-NMF電解質中的電化學性能，作者進行了鋅||鋅對稱電池的恒流充放電曲線測試。在高電流密度為3.0 mA cm-2和5.0 mA cm-2時，Zn-NMF電解質的鋅||鋅對稱電池循環壽命分別為400 h和100 h。此外，在0.25~5.0 mA cm-2電流范圍內，作者通過對稱電池的倍率性能測試，比較了Zn-NMF和水溶液的穩定性。Zn-NMF的鋅陽極穩定性更好。

圖3在電流密度為a-b) 0.5和c-d) 1.0 mA cm-2的情況下進行深度電鍍/剝離，面積容量分別為5.0和10.0 mAh cm-2。

作者采用深度電鍍/剝離條件，確定了鋅金屬電極在高面積容量下與Zn-NMF電解質的相容性。在電流密度為0.5 mA cm-2/5.0 mAcm-2（圖3a-b）和1.0 mA cm-2/10.0 mAcm-2（圖3c-d）時，對稱電池分別表現出~2000 h和1800 h的穩定循環，具有極低的過電位（~40 mV），沒有任何電壓滯后。

圖4Zn-NMF與水電解質的a) CE比較。在b-d) Zn-NMF電解質和e-g)水電解質中循環后的鋅電極的掃描電鏡分析。兩種電解質中鋅陽極循環的h) XRD和i) XPS比較。

此外，作者通過不對稱電池組裝，測定了水和非水電解質中鋅電鍍/剝離的CE。鋅在0.5 mA cm-2/0.5 mAh cm-2的條件下沉積在Ti電極上，然后以0.5 V的截止電壓以電位控制的方式剝離。大約750個循環后，Zn-NMF電解液的高CE（~99.58%）表明鋅陽極與Zn-NMF電解液具有較高的界面穩定性和非反應性。相反，在水電解質中，極低的CE（~68.69%）和較低的循環壽命表明水基體系中由于不可逆副產物的形成導致鋅陽極不穩定和活性質量損失。作者通過掃描電鏡對Zn-NMF電解質中沉積的鋅進行了形態學測試，結果表明鋅的致密、均勻和無枝晶沉積。

圖5 a)CV曲線，b)Zn||NMO全電池周期比較Zn-NMF和Mn-NMF電解質，c) Mn-NMF電解質的倍率性能，d)比較Mn-NMF和2 M ZnSO4+0.1 MnSO4（水）電解質的恒電流循環和e) Mn-NMF電解質在0.5 A g-1下長期的電池循環。

作者通過Zn||NMO全電池組裝，研究了在Zn-NMF電解液中的電極性能。Zn2+離子（脫）嵌入是一種可逆的氧化還原過程，在整個CV循環過程中重疊，顯示出Zn-NMF電解質中NMO電極的良好可逆性。在電流密度為0.1 A g-1時的Zn-NMF電解質中，Zn||NMO電池的恒流充放電曲線表明，在最初的活化過程中，最大比容量達到~112 mAh g-1。作者在Zn-NMF電解液中加入Mn2+鹽（0.1 M氯化錳），以抑制活性物質的溶解。Zn-NMF+0.1 M氯化錳（Mn-NMF）電解質的穩定循環，比容量為110 mAh g-1,1000次循環后，容量保留率為98.2%。此外，在0.5 A g-1的高電流倍率下，Mn-NMF電解質中Zn||NMO的長期充放電試驗顯示出1000次循環的良好的循環穩定性，在第29個循環中，活化過程中的比容量從35.2增加到70.5 mAh g-1。此外，1000個循環后，容量保留為~94.4%，高CE為99.9%。

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成果啟示

該工作使用了一種新型電解質Zn-NMF。Zn||Zn對稱電池在電流密度為0.5-2.0 mA cm-2的范圍內進行了2000 h的超穩定循環。此外，實現了高效可逆的沉積（~99.57%），更寬的電化學窗口(~3.43 V vs Zn2+/Zn)和更大的面積容量（10.0 mAh cm-2）。該工作為設計高效的鋅電池提供了新的策略和啟發。

審核編輯：劉清