近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部胡林華研究員團(tuán)隊在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展，通過在水系鋅鹽電解液中引入絲氨酸陽離子（Ser+， C3H8NO3），實現(xiàn)鋅（100）面擇優(yōu)取向生長，有效抑制了鋅枝晶生長，極大提升了電池充放電可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性能。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Advanced Energy Materials上。

水系鋅離子電池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、環(huán)境友好性和成本效益而引起了廣泛的關(guān)注。然而，鋅枝晶生長會引起較差的可逆性，嚴(yán)重時會引發(fā)電池短路，是水系鋅離子電池商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。鋅(100)面具有較高的表面能，鋅負(fù)極的成核和沉積易沿[100]方向進(jìn)行，但較高的反應(yīng)活性會誘發(fā)副反應(yīng)，損害鋅陽極的可逆性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。因此，抑制鋅[100]方向生長可以有效地緩解枝晶生長和副反應(yīng)的問題。

研究人員構(gòu)建了一種采用絲氨酸（Ser）作為界面結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑的（100）面終止策略。通過絲氨酸陽離子的吸附調(diào)節(jié)，誘導(dǎo)Zn(100)織構(gòu)生長并抑制副反應(yīng)發(fā)生。在5 mA cm-1和5 mAh cm-1的電鍍/剝離循環(huán)下，使用改性電解質(zhì)的Zn//Cu電池達(dá)到99.8%的平均庫倫效率，Zn//Zn對稱電池表現(xiàn)出800小時以上的循環(huán)穩(wěn)定性能。Zn//V2O5扣式電池展現(xiàn)出345.1 mAh g-1的高放電容量，并且在5 A g-1下循環(huán)2000次后仍保持255.4 mAh g-1。組裝的軟包電池也具備良好的穩(wěn)定性，顯示了Ser/ZnSO4電解液的實際應(yīng)用潛力。

該研究通過吸附絲氨酸離子對鋅離子在（100）表面遷移行為的調(diào)控，為分子水平上實現(xiàn)鋅陽極優(yōu)勢織構(gòu)提供了一種有前景的策略，并有望應(yīng)用于其他穩(wěn)定性和可逆性差的金屬陽極。

上述研究得到了合肥物質(zhì)院院長基金的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202301517

圖1. 添加（左）和不添加（右）絲氨酸的鋅沉積行為示意圖。

圖2. (a) 10 mA cm-2下，Zn在Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積的SEM形貌演變圖，比例尺：20 μm；(b) 10 mA cm-2下，在純ZnSO4(上圖)和Ser/ZnSO4(下圖)電解質(zhì)中沉積的Zn SEM形貌演化圖像，比例尺：100 μm；(c) Zn電極沉積0、15、30、45、60 min后的原位光學(xué)顯微鏡圖像（上方為ZnSO4電解液中，下方為Ser/ZnSO4電解質(zhì)中沉積）；(d) 10 mA cm-2下，鋅在純ZnSO4(右)和Ser/ZnSO4(左)中沉積不同時間的XRD圖；(e-d)圖中(100)和(002)面之間的強(qiáng)度比；(f) Ser+吸附在Zn(002)、(100)、(101)表面的圖示及其相應(yīng)吸附能；(g) Ser+吸附在Zn晶面后，Zn離子在不同晶面上的吸附能。