中南大學李維杰教授Chem. Sci.：失電子調節策略調控剝離過程實現高度可逆的鋅負極

一、 【導讀】?

由于其低成本、高理論容量(820 mA h g^-1)和安全性的固有特性，水性鋅離子電池(AZIBs)作為下一代儲能系統的潛在候選者受到了廣泛關注。但是其實際應用受到低庫侖效率（CE）和不穩定的循環壽命的阻礙。

研究人員針對鋅負極界面問題已經實施了大量研究，目前的策略可歸納為三個方面：人工界面層構建、電解液優化和集流體改性。其中，電解液優化是最直接的策略，具有良好的可重復性。目前電解液添加劑相關的研究，大多數焦點都集中在鍍鋅過程上。事實上，實際的AZIBs在初始循環中是發生剝離而不是鍍鋅，因為常用的正極在帶電狀態下沒有鋅離子。剝離是金屬溶解的過程，其中鋅金屬失去電子并轉化為 Zn²⁺。這意味著調節鋅失去電子的能力可以影響鋅的剝離過程。所以均勻的剝離過程對AZIBs的電池性能至關重要。

二、【成果掠影】

在此，中南大學李維杰教授課題組提出了一種通過添加劑來調節鋅失電子能力的策略來進行剝離調控。選擇氧雜環戊烷（OL）作為模型添加劑來驗證這一假設。OL含有高電負性氧原子（3.44），氧原子具有很強的吸引電子能力，從而可以增強鋅的溶解能力。OL優先吸附并聚集在初始商業鋅箔的凸起尖端處而不是其他較平整的表面。與尖端效應類似，更多的OL添加劑傾向于聚集在最初不平整的鋅箔表面的凸起處。與平坦的鋅表面相比，電子傾向于集中在尖端處。由于OL中含有電負性的氧原子，OL可以調節從鋅金屬上失去電子的能力，加速鋅從尖端溶解，直至尖端完全消失在鋅表面，最終誘導鋅的均勻溶解。除此之外，OL易與水混溶。OL作為環醚，其氧原子可以與水形成氫鍵，從而降低水的活性，進而減少鋅的副反應。

?三、【核心創新點】

1.提出了一種通過添加劑來調節鋅失電子能力的策略來進行金屬鋅剝離過程調控。OL吸附在不平坦的初始商業鋅表面，并通過強吸電子能力加速鋅尖端的溶解，從而在剝離過程中提供均勻的鋅負極。

2.OL誘導鋅外延生長，最終暴露 (002) 晶面，從而抑制枝晶生長。

3.為電解質添加劑對均勻鋅剝離/電鍍的影響和機理提供了新穎而全面的見解。

?四、【數據概覽】

圖1 OL添加劑作用的模擬 ?2024 The Author(s)

圖2 OL對鋅剝離過程的調節 ?2024 The Author(s)

圖3? 電解液和 SEI 膜的表征? ?2024 The Author(s)

圖4 通過OL調節電鍍過程及鋅負極表征 ?2024 The Author(s)

圖5 鋅負極電化學表征 ?2024 The Author(s)

圖6 全電池電化學性能評估 ?2024 The Author(s)

圖7 不同電解液剝離機制示意圖 ?2024 The Author(s)

五、【成果啟示】

該本研究展示了一種失電子能力調節策略，用于調控鋅金屬剝離過程，從而使鋅負極具有優異的性能。OL 被用作模型添加劑，以促進鋅金屬中的失電子能力并誘導定向鋅沉積。在鋅剝離過程中，OL 吸附并聚集在鋅表面的尖端，加快初始凸起尖端的溶解速度，從而導致均勻的剝離。至于電鍍，實驗表征和理論模擬證實，OL 分子會誘導鋅的定向沉積并暴露 (002) 晶面，這往往會抑制枝晶生長。OL 添加劑降低水的活性并優化了 Zn²⁺ 的溶劑化結構。該電解液在 1 mA cm^-2 和 1 mA h cm^-2 下Zn||Zn 電池擁有超過3200 小時的循環壽命。除此之外，在 1 mA cm^-2 和 1 mA h cm^-2 下高達 99.3% 的 CE（循環次數超過 1400 ）也表明了 OL 的潛力。因此，該策略為開發穩定鋅負極和高性能商業 AZIBs 的可能性提供了新的方向。

原文詳情：An electron-losing regulation strategy for stripping modulation towards?a highly reversible Zn?anode?

本文由WXY供稿