研究背景

水系鋅電池（AZBs）因其高安全性、低成本、環境友好性受到廣泛關注，但其商業化進程受到鋅電極低可逆性和弱循環壽命的限制，主要原因在于析氫反應（HER）和不均勻的Zn沉積。HER由Zn2?溶劑化殼層中水的還原引起，會生成氫氣，加速Zn表面副反應；Zn沉積的非均勻性則易導致枝晶生長，進而損壞電極界面。

成果簡介

基于此，馬里蘭大學王春生教授團隊提出了一種基于 Et（30） 極性參數 的水系鋅電池電解液優化策略，實現了高可逆性Zn電極的構建，并顯著提升了電池的循環穩定性。該研究以 “Electrolyte design for aqueous Zn batteries” 為題，發表在《Joule》期刊上。研究團隊通過 Et（30） 極性參數精準篩選溶劑，優化Zn2?溶劑化結構，有效抑制析氫反應（HER）和Zn枝晶生長，顯著提高Zn電極的可逆性。

研究亮點

1、首次引入Et（30）極性尺度作為溶劑選擇新標準，優化Zn2?溶劑化結構，實現高效 HER 抑制，提高Zn的沉積均勻性，進而提升電池穩定性。

2、通過引入F-添加劑促進ZnF?保護層的形成，減少 Zn 電極與水的直接接觸，降低枝晶生長和析氫副反應，實現5500小時超長循環壽命和99.8%的庫侖效率。

3、采用優化電解液的Zn||PANI全電池展現出高達130 mAh/g的比容量，并實現長循環穩定性（1000次循環），為水系Zn電池在儲能與可穿戴設備等領域的應用奠定了堅實基礎。

圖文導讀

圖1 用于共溶劑電解液設計的 Et（30） 性能參數

圖2含0.5 m氟基添加劑電解液的性能評價

圖3 F基SEI的形成

圖4 基于本研究中電解液的Zn||PANI電池性能

總結展望

本研究提出了一種基于 Et（30） 極性參數 的電解液優化策略，旨在提升 水系鋅電池（AZB） 的性能，特別是解決鋅電極的低可逆性和短循環壽命問題。研究顯示，Et（30） 極性尺度 與 Zn 電極的 庫侖效率（CE） 之間存在 火山形關系，即最佳 Et（30） 范圍（約 45）能有效提高 Zn2? 溶劑化結構的穩定性，減少析氫反應（HER）和 Zn 枝晶生長，進而提升電池的可逆性和循環穩定性。同時，研究引入了 F-基添加劑，促進了 ZnF? 固態電解質界面層（SEI） 的形成，進一步抑制了 HER 和枝晶生長。使用優化電解液的 Zn||PANI 全電池 展示了 高比容量（130 mAh/g） 和 長循環壽命（1000 次以上），并且在不同電流密度下表現出優異的速率能力。此外，電池在低溫（0°C）和高溫（60°C）下也展現出良好的穩定性。綜上所述，本研究提供了新的電解液設計策略，為 水系鋅電池的高性能應用，特別是在儲能系統和可穿戴設備等領域的應用奠定了基礎。

文獻鏈接

Electrolyte design for aqueous Zn batteries. Joule， https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101844.