中科院合肥研究院在水系鋅離子電池電解液研究方面獲進展

圖1.不同電解液中的鋅沉積機理示意圖：a、ZnSO₄，b、DX/ZnSO₄　　

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部李兆乾等在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進展。該研究通過在水系鋅鹽電解液中引入1，4-二氧六環(huán)（DX）分子建立鋅晶體（002）面擇優(yōu)取向生長機制，有效抑制了鋅枝晶生長，提升了電池可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano上。

水系鋅離子電池具有理論比容量高、氧化還原電位低、安全可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點，是頗有前景的規(guī)模化儲能技術(shù)。然而，鋅負極表面的枝晶生長和副反應(yīng)問題導(dǎo)致陽極/電解質(zhì)界面嚴(yán)重不穩(wěn)定，限制了其規(guī)模化應(yīng)用。對于鋅（六方密堆積)體，（002）晶面具有最低的表面能和最慢的生長速度，呈現(xiàn)出表面反應(yīng)控制的沉積過程，從而緩解了嚴(yán)重的Zn²⁺通量和副反應(yīng)。因此，誘導(dǎo)鋅（002）面生長可以有效地緩解枝晶生長和副反應(yīng)的問題。

科研人員構(gòu)建了以調(diào)整陽極/電解質(zhì)界面狀態(tài)為重點的先進電解液調(diào)制工程，通過二氧六環(huán)的吸附調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)Zn(002)織構(gòu)生長并抑制有害的副反應(yīng)。在10 mA cm^-2下，添加DX的鋅離子電池具有1000 h的循環(huán)穩(wěn)定性、5 Ah cm^-2的超高累積沉積容量以及良好的可逆性，平均庫侖效率達99.7%。Zn//NH₄V₄O₁₀全電池實現(xiàn)了高放電比容量（5A g^-1時為202 mAh g^-1）和容量保持率（5000次循環(huán)后為90.6%），優(yōu)于使用純ZnSO₄電解質(zhì)的鋅離子電池。

該研究通過吸附分子選擇性地調(diào)節(jié)Zn²⁺在晶面上的沉積速率，為分子水平上調(diào)制高性能鋅陽極提供了頗具前景的策略，并有望應(yīng)用于其他穩(wěn)定性和可逆性差的金屬陽極。研究工作得到合肥研究院院長基金的支持。 

圖2.a、5 mA cm^-2下，ZnSO₄和DX/ZnSO₄電解質(zhì)中Zn的原位沉積；b、在5 mAh cm^-2電鍍?nèi)萘肯隆綬 = I(002)/I(101)】，不同電流密度下沉積Zn的XRD譜圖；c、10 mA cm^-2下沉積Zn的SEM圖像；d、DX分子在Zn（002）、（100）、（101）表面的吸附能；e、在DX吸附的Zn原子上Zn²⁺的吸收能。氧原子用紅色表示，氫用粉色表示，碳用棕色表示，鋅用灰色表示。