研究背景

鋅金屬電池以高容量、低成本、環(huán)保等特點受到廣泛關注。但由于金屬鋅在傳統(tǒng)水系電解液中熱力學不穩(wěn)定，鋅金屬電池的實際應用仍面臨挑戰(zhàn)。以腐蝕反應為代表的熱力學不穩(wěn)定問題主要歸因于溶劑水的質子型特征。當鋅鹽在水系電解液中溶解時，Zn2+水解促進H+的產生。在靜置和循環(huán)過程中，H+與活性金屬鋅反應造成其持續(xù)損失，并加劇惰性副產物和氫氣的形成。當前由于超厚（過量）金屬鋅的普遍使用，上述問題尚未引起足夠重視。但在超薄（有限）金屬鋅條件下，以腐蝕反應為代表的熱力學不穩(wěn)定問題將極大影響鋅金屬電池的電化學性能。

研究簡介

近日，清華大學楊誠團隊通過溶劑設計，論證了無腐蝕超薄鋅金屬電池的可行性。本研究提出的非質子型弱配位電解液通過有效避免H+的產生，保證了超薄金屬鋅在靜置過程中的熱力學穩(wěn)定；獨特的弱配位溶劑化結構[Zn(DMI)3]2+和[Zn(DMI)4]2+，賦予了超薄金屬鋅在高放電深度下優(yōu)越的電化學性能。10 μm Zn||10 μm Zn對稱電池在1 mA cm-2穩(wěn)定循環(huán)7220小時；10 μm Zn||10 μm Cu半電池在3 mA cm-2平均庫倫效率達99.94%；10 μm Zn||15.3 mg cm-2 PANI全電池在50 mA g-1穩(wěn)定循環(huán)1700圈，容量保持率82.5%；通過60℃循環(huán)和疊片測試，初步驗證了Zn||PANI全電池在高溫和軟包條件下的可行性。結合實驗表征和理論模擬，作者提出水系電解液（相較于非水系電解液）優(yōu)越的動力學性能可能歸因于液相中更快的物質傳輸，而不是電極/電解液界面更低的脫溶劑化能壘。

該文章以“A Corrosion-Free Zinc Metal Battery with Ultra-Thin Zinc Anode and High Depth of Discharge”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science上，博士生姚銳為本文的第一作者。

圖文導讀

圖1溶劑化結構表征

（a）紅外光譜；（b）拉曼光譜；（c）1H核磁共振譜；（d）DMI的高分辨質譜；（e）結合能計算；（f）脫溶劑化能測試；（g）靜電電勢分布圖

圖2穩(wěn)定性測試與表征

（a）揮發(fā)性測試；（b）差式掃描量熱測試；（c）接觸角測試；（d）金屬鋅在H2O中浸泡兩周后的掃描電子顯微鏡圖像；（e）金屬鋅在DMI中浸泡兩周后的掃描電子顯微鏡圖像；（f）金屬鋅浸泡兩周后的X射線衍射譜；（g）穩(wěn)態(tài)極化曲線；（h）對稱電池預循環(huán)后的電化學阻抗譜；（i）對稱電池靜置兩周后的電化學阻抗譜

圖3 電化學測試與表征

（a）線性掃描伏安曲線；（b）放大后的線性掃描伏安曲線；（c）鋅沉積不同時間的光學圖像（上H2O，下DMI）；（d）H2O的遷移數(shù)測試；（e）DMI的遷移數(shù)測試

圖4 金屬鋅的測試與表征

（a）對稱電池的恒電流測試；（b）半電池的恒電流循環(huán)；（c）半電池的充放電曲線；（d）在H2O中預循環(huán)后鋅負極的掃描電子顯微鏡圖像；（e）在DMI中預循環(huán)后鋅負極的掃描電子顯微鏡圖像；（f）預循環(huán)后鋅負極的X射線衍射譜；（g）對稱電池的性能對比圖

圖5 全電池的電化學測試

（a）全電池的循環(huán)伏安測試；（b）全電池的倍率測試；（c）全電池的60℃恒電流循環(huán)；（d）全電池的恒電流循環(huán)；（e）全電池的充放電曲線；（f）軟包電池的光學照片；（g）軟包電池的恒電流循環(huán)；（h）軟包電池的充放電曲線

總結展望

作者通過溶劑設計，論證了無腐蝕超薄鋅金屬電池的可行性。非質子型弱配位電解液通過避免H+的產生賦予了金屬鋅優(yōu)異的熱力學穩(wěn)定性；獨特的弱配位溶劑化結構（[Zn(DMI)3]2+和[Zn(DMI)4]2+）賦予了金屬鋅在高放電深度下優(yōu)越的電化學性能。結合實驗表征和理論模擬，作者提出水系電解液（相比于非水系電解液）優(yōu)異的動力學性能歸因于液相中更快的物質傳輸，而不是電極/電解質界面更低的脫溶劑化能壘。此外，作者發(fā)現(xiàn)避免H+的產生在推動超薄金屬鋅應用的同時，導致常規(guī)正極材料（如MnO2、V2O5等）的放電比容量顯著下降，如何平衡H+在鋅金屬電池正負極的“雙刃劍”定位是下一步值得研究的方向之一。

審核編輯：劉清