近期，中國科學(xué)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(duì)在水系鋅離子電池電解液研究方面取得新進(jìn)展?？蒲腥藛T提出一種通過最高占據(jù)分子軌道能級，選擇穩(wěn)定鋅負(fù)極用的非犧牲性陰離子型表面活性劑電解液添加劑的通用策略，實(shí)現(xiàn)抑制鋅枝晶生長和副反應(yīng)的可持續(xù)性調(diào)節(jié)，極大提升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Energy Storage Materials (Energy Storage Mater., 70, 103525(2024))上。      水系鋅離子電池（AZIBs）因其高的安全性、可靠性、環(huán)境友好性和低成本效益引起了廣泛的關(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，是推進(jìn)水系鋅離子電池商業(yè)化進(jìn)程的主要障礙。陰離子型表面活性劑作為一種典型的非犧牲性添加劑，在冶金領(lǐng)域作為鍍鋅的防腐蝕和光滑劑有著悠久的應(yīng)用歷史。因此，選擇合適的陰離子型表面活性劑添加劑有望從根本上獲得高度穩(wěn)定和可逆的金屬負(fù)極。

研究人員提出一種通過分子最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級選擇穩(wěn)定鋅負(fù)極用的非犧牲性陰離子型表面活性劑電解液添加劑的通用策略。具有高HOMO能級的十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS) 表現(xiàn)出優(yōu)秀的配位和吸附能力，能夠改變Zn2+溶劑化結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)界面Zn2+擴(kuò)散沉積，極大地抑制了鋅枝晶和副反應(yīng)。在2 mA cm-1和2 mAh cm-1的電鍍/剝離循環(huán)下，Zn//Zn對稱電池表現(xiàn)出3200 h以上的循環(huán)穩(wěn)定性能，穩(wěn)定性提升30倍。使用改性電解液的Zn//Cu電池在穩(wěn)定循環(huán)800次后平均庫倫效率達(dá)到98.15%。Zn//NH4V4O10扣式電池在5 A g-1下循環(huán)8000次后容量保持率為93.5%。大面積軟包袋式電池穩(wěn)定循環(huán)超過500次，具有214 mAh g-1的放電比容量。該工作通過高HOMO能級SDBS對溶劑化結(jié)構(gòu)和界面鋅離子的調(diào)控，抑制副反應(yīng)和促進(jìn)均勻鋅沉積，為分子水平上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋅負(fù)極提供了一種有前景的策略，并有望應(yīng)用于其他的金屬負(fù)極。

論文第一作者為固體所博士研究生韋婷婷，通訊作者為胡林華研究員、李兆乾副研究員和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授、陳維教授。該研究得到了合肥物質(zhì)院院長基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103525

圖1. （a）H2O、SEBS、SDS和SDBS分子中O原子電荷和分子DM值；（b）不同分子與Zn2+的結(jié)合能，以及不同分子在Zn表面的吸附能；（c）不同分子的LUMO和HOMO能級值。

圖2. （a）SDBS/ZnSO4電解液中MD模擬快照；（b）SDBS/ZnSO4電解液中Zn2+-O (添加劑)、Zn2+-O (H2O) 的配位數(shù)和RDFs；（c）不同溶劑化結(jié)構(gòu) (Zn(H2O)62+和Zn(H2O)5SDBS+) 的靜電勢；（d）不同電解液的FTIR光譜；（e）ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液的67Zn NMR譜；(f)鋅表面H2O和SDBS的吸附能和相應(yīng)的差分電荷密度圖，黃色和藍(lán)色分別表示電子的積累和損失；（g）添加/不添加SDBS時Na2SO4溶液的差分電容曲線；（h）ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液的Tafel曲線；（i）ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液的LSV曲線；（j）ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液的析氫能壘。

圖3. 在（a）ZnSO4和（b）SDBS/ZnSO4電解液中10 mAh cm?2沉積1 h后鋅片的表面和截面SEM圖；（c, d）ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液中10 mAh cm?2沉積1 h后鋅片表面的3D共聚焦顯微圖；（e）10 mA cm?2下ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液中沉積的原位光學(xué)顯微觀察圖；（f）5 mA cm-2和5 mAh cm-2下循環(huán)不同圈數(shù)（10次、100次和200次）后循環(huán)Zn表面的SEM圖像；ZnSO4和SDBS/ZnSO4電解液中的（g）成核過電勢曲線和（h）恒電位時間-電流曲線。