研究背景

水系電解液中的鋅金屬負極不可避免地會發生枝晶生長、析氫反應和表面鈍化等問題，嚴重影響了電極的電化學行為，阻礙了水系鋅離子電池在儲能系統中的進一步應用。為此，西安交通大學許鑫研究員，成永紅教授，王建華教授團隊將谷氨酰胺(Gln)添加劑引入水系電解液中，促進鋅陽極性能的穩定，提高電池的性能。Gln中的親鋅基團使其比H2O更容易吸附在Zn(002)平面上，從而抑制水誘導的副反應，構建貧水的陽極/電解液界面。密度泛函理論(DFT)和實驗結果表明，低濃度的Gln分子可以有效地吸附在Zn陽極上形成界面保護層，抑制副反應。優先吸附的Gln分子可以增強界面處的空間位阻影響，促進Zn2+的均勻沉積。使用含有Gln的Zn//Zn電池表現出了700小時循環壽命和1050 mAh cm?2的累積容量。此外，Zn//Cu電池在1 mA cm?2下能夠高度可逆循環500次，平均庫侖效率為99.6%。此外，使用Gln作為電解液添加劑的Zn//NH4V4O10全電池也表現出了良好的循環性能。組裝的柔性Zn//NH4V4O10電池在便攜式電子設備中具有廣闊的應用前景。其成果以題“Unveilingthe Multifunctional Regulation Effect of Glutamine Additive forHighly-Reversible Zn Metal Anode”在Journal of Materials Chemistry A上發表。

研究亮點

通過理論計算研究了Gln分子與負極/電解液界面的作用機制。

通過實驗證明了ZnSO4/Gln電解液對副反應的抑制作用、對界面空間效應的增強以及對鋅離子沉積過程的影響。

采用Gln添加劑實現了高度可逆的鋅沉積過程、出色的循環壽命和沉積容量。

圖文導讀

圖1.添加劑對負極/電解液界面的作用機制分析

a) H2O和Gln在Zn金屬表面的吸附能。b) Gln和H2O的HOMO和LUMO等表面。c)鋅金屬與不同電解液(H2O和Gln)之間的電荷密度差異。

圖2. 添加劑對負極/電解液界面特性的影響分析

a)浸泡在原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中的Zn陽極光學圖像。b)鋅陽極浸泡在不同電解液中的XRD圖譜。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中Zn//Zn電池的Tafel曲線。d)在原始ZnSO4和ZnSO4/Gln電解液中檢測Zn//Zn電池的LSV圖。e)原始ZnSO4和ZnSO4/Gln電解液的CA曲線。f)在Zn陽極上鍍Zn2+(左)和(右)Gln添加劑。

圖3. 添加劑對鋅沉積過程和副反應的影響分析

a)鋅沉積過程中原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液的原位光學顯微鏡圖像。b)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的核磁共振譜。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液的拉曼光譜。d)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的v(SO42-)拉伸比較。e) Gln添加劑對Zn陽極的多功能調節作用示意圖。

圖4. 添加劑對鋅沉積/剝離行為的影響分析

a, b)分別使用ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液的Zn//Zn電池在1 mA cm?2和3 mA cm?2條件下的循環穩定性。c)原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液中循環鋅陽極的XRD譜圖。d) ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 MGln電解液對Zn//Zn電池倍率性能的比較。e)在1mA cm?2條件下，在原始ZnSO4和ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液條件下，對Zn//Cu電池的CE進行了評估。

圖5. 添加劑對全電池行為影響分析

a、b)在(a) 5 A g?1和(b) 10 A g?1條件下，ZnSO4和ZnSO4+0.3 M Gln電解液對Zn//NH4V4O10電池循環性能的比較。c) ZnSO4和ZnSO4+0.3 MGln電解液下Zn//NH4V4O10電池的倍率性能。d) ZnSO4 + 0.3 M Gln電解液對Zn//NH4V4O10電池靜置48 h后的容量保持能力。e) Zn/NH4V4O10軟包電池的應用。

研究結論

這項研究提出具有成本效益的Gln分子作為一種多功能電解液添加劑，有助于實現高度可逆的鋅陽極。理論預測和實驗結果展示了Gln優先與鋅表面結合的能力，增強了陽極界面的空間位阻影響。這有助于減輕鋅和水分子之間的相互作用，同時促進Zn2+的均勻沉積。此外，在電解液中引入Gln優化了配位環境，改變了Zn2+的溶劑化鞘層。Zn//Zn電池在1mA cm-2下實現了超過700小時的穩定循環。同樣，添加Gln的Zn//Cu電池表現出可逆的鍍/剝離機制，實現99.6%的平均庫侖效率。此外，采用Gln作為電解液添加劑制備的Zn//NH4V4O10電池顯示出優異的循環和倍率性能。

審核編輯：劉清