来源：Nano Research Energy 发布时间：2023/5/9 11:48:12

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水系锌基电池的电解质设计新思路!—官能团异化对界面化学的影响

2023年4月10日，南方科技大学李洪飞助理教授与广东工业大学张海燕教授在清华大学主办的高起点新刊Nano Research Energy上联合发表了题为“Functional group differentiation of isomeric solvents enables distinct zinc anode chemistry”的最新研究成果。

锌（Zn）金属负极具有高理论容量（820 mAh·g^-1）、低氧化还原电位、储量丰富、安全性、环境友好性和低成本等优势，但由于副反应（析氢）和枝晶生长会降低库仑效率（CE）并限制循环寿命，可充电水系锌基电池（RAZBs）的发展受到了较大限制。电解液调控被认为是解决上述问题的有效方法。目前，人们已经提出了许多有机助溶剂或添加剂来减缓副反应并构建稳定的锌负极，然而有机分子之间的随意选择和比较使研究更具挑战性。例如，不同的分子量水平和不同数量的官能团，可能会导致研究极性官能团的有效性有所偏颇。因此，更系统、更深入的研究对锌电池电解质的设计至关重要。

图1. 电极-电解液界面。经氩离子刻蚀不同时间的F 1s图谱(a-f)，C 1s图谱(g-i)。(j)在OTF-H₂O-PM电解液中循环后的锌阳极TEM图。(k)在OTF-H₂O，OTF-H₂O-DME电解液中形成的“Mosaic”SEI模型，(l)在OTF-H₂O-PM电解液中形成的“Multilayer”SEI模型。(m)分子前沿轨道能级计算。(n)DME，(o)PM的Bader电荷分析

针对上述问题，本工作选取两个“同分异构分子”：1,2-二甲氧基乙烷（DME）和1-甲氧基-2-丙醇（PM）作为电解质中的助溶剂，它们具有相同的分子量和官能团数目，区别在于官能团种类不同，因此提供了独特的电化学性能。实验和模拟研究表明，PM中的羟基（比DME中的醚基具有更高的分子极性）引起的偶极矩，重构了空间电荷区域，提高了Zn负极附近的Zn²⁺浓度，并原位衍生出不同的固态电解质界面（SEI）模型和电极-电解质界面，进而表现出优异的循环稳定性。值得注意的是，基于PM的Zn||Cu电池可稳定工作2000多个循环，其库伦效率高达99.7%。Zn||Zn对称电池在10mA·cm^-2和20 mAh·cm^-2的超高电流密度下，稳定循环超过200小时（放电深度达70%）。Zn||钒酸钠软包电池（具有6.3 mg·cm^-2的高质量负载和24 mAh的高容量）在570小时测试内表现出优异的循环性能。这项工作为实用水系锌基电池的电解质设计提供了新的思路。

论文信息：

Liu C, Li Q, Lin Y, et al. Functional group differentiation of isomeric solvents enables distinct zinc anode chemistry.Nano Research Energy, 2023,https://doi.org/10.26599/NRE.2023.9120064

DOI：10.26599/NRE.2023.9120064

Nano Research Energy是Nano Research姊妹刊，(ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网:https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年6月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文，已入选2022年度中国科技期刊卓越行动计划——高起点新刊项目。2025年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。

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