图1. β-CD@ ClO4–配合物主客体相互作用的量子化学计算和表征作者通过理论计算、光谱表征和等温滴定量热法(ITC)测量,清楚地证明了β-CD和ClO4–阴离子之间的主-客体相互作用以及β-CD@ ClO4–配合物的形成。由于固定化ClO4–的均匀分散,Zn2+的迁移数从0.457明显提高到0.878,显著减轻了电极表面附近的阳离子耗竭,抑制了锌枝晶的随机生长。更引人注目的是,β-CD@ ClO4–配合物通过控制不同晶面上的生长速率,阻止了锌枝晶的产生,以及包括HER和腐蚀行为在内的副反应,使平面Zn(002)优先暴露。图2. 锌负极晶体重新取向的调节功能和机制图3. 理论模拟和电化学测试解释β-CD@ ClO4–配合物调制的快速Zn2+扩散此外,实验结果和有限元分析结果表明,β-CD的阴离子阱效应有利于更流畅均匀的锌离子通量转移,阻止锌枝晶的生长。作者通过Zn||Zn对称电池的长周期循环实验,进一步证实了β-CD对锌枝晶生长抑制的增强作用,如图4d和4e所示。β-CD@ClO4–复杂的独特结构进一步导致显著提升Zn||Zn对称电池的性能,在1 mA cm-2/1 mAh cm-2和5 mA cm-2/5 mAh cm-2下分别使用超过1000 h和350 h,性能超过10倍的增强。此外,利用含β-CD电解质的Zn||Cu电池的库伦效率(CE)性能优于纯Zn(ClO4)2,在330个周期内,第一个周期为88.3%对80.9%,平均为97.6%对84.9%。图4. Zn沉积过程的传递行为分析和长期稳定性
图5. 不同电解质下Zn-MnO2全电池的综合性能对于Zn-MnO2全电池,比容量最大提高57%,在1000次长循环后依然具有63.9%的容量保持率。通过引入β-CD添加剂,Zn-MnO2全电池在所有测试条件下都表现出明显更高的容量(增强约51%-57%)。原因可以分为以下两点:一、较高的锌离子迁移数保证了本体电解质环境和电极/电解质界面之间稳定和足够的锌通量,从而使两个电极两侧的反应效率更高;二、恒流间歇滴定技术(GITT)结果表明,更好的Zn离子迁移行为有利于Zn2+的扩散过程。该器件在0.1 A g-1的电流密度下提供的容量为181.5 mAh g-1,并在1.0 A g-1的快速充放电速度下保持79.0 mAh g-1,显示其良好的倍率性能。