武汉理工麦立强ACS Energy Letters：锌负极保护新策略！

研究成果

锂离子电池（LIB）广泛用于电动汽车、移动电子设备和物联网。然而，近年来，可充电LIB的爆炸和火灾频繁发生。有机电解质的易燃性阻碍了LIB的进一步发展。水系可充电电池因其高安全性、低成本和环境友好而备受关注。其中，由于Zn金属的高理论比容量（820 mAh g^-1或5855 mAh cm^-3），水系Zn离子电池（ZIB）是最强大的候选电池。

然而，不稳定的锌阳极严重阻碍了ZIB的长期循环。

1）Zn枝晶的不可控生长是由不均匀的电荷浓度和成核产生的。Zn离子的成核往往发生在低能位置，从而导致Zn枝晶，“死Zn”断裂，导致库仑效率（CE）下降。

2）锌金属在水电解质中热力学不稳定，很容易与水和溶解在水中的氧气反应，产生大量的副产物，如Zn₄(OH)₆SO₄·xH₂O。

3）枝晶和副产物的积累将扩大电解质和锌负极之间的接触面积，从而加剧副反应。

因此，锌负极和水电解质之间的副反应导致沉积/溶解的可逆性差，并伴有Zn枝晶生长。此外，Zn枝晶的持续增长将刺穿隔膜，这将导致电池短路和故障。

近日，武汉理工大学麦立强教授在ACS Energy Letters上发表最新研究成果，Zwitterionic Bifunctional Layer for Reversible Zn Anode，在锌负极上修饰了一层双离子保护层，既可以抑制Zn枝晶，又能够缓解副反应，实现了高度可逆的锌负极。

该双功能保护层是1-乙烯基-3-（羧甲基）-咪唑和丙烯酰胺（AM）的自由基共聚形成，作者称之为聚两性离子液体(PZIL)离子迁移层。为了制备该人工涂层，首先将丙烯酰胺和1-乙烯基-3-（羧甲基）-咪唑单体溶解在水溶液中制备前体溶液，然后将前体溶液均匀涂在锌箔上，然后自由基聚合。Zn箔上的沉积行为可以通过两性离子官能团和Zn离子之间的强结合力来有效调节。

一方面，PZIL功能层可以阻碍电解质和锌阳极之间的直接接触，这归因于两性离子基团和水分子之间的强烈吸引力，改变了水合Zn²⁺的溶剂结构，这将减少Zn²⁺周围的水分子数量，与Zn阳极直接接触的水分子也更少；由于电荷-偶极和偶极-偶极相互作用，界面层中的游离水可以与两性离子基团紧密结合，从而抑制游离水的扩散行为。这有效地促进了去溶剂化过程，并防止了Zn金属阳极的腐蚀。

另一方面，两性离子链上的阴离子促进了Zn²⁺的均匀分布。PZIL层的致密和带负电荷的网络结构产生了丰富的成核位点，使得锌离子均匀沉积在锌金属表面，从而防止锌枝晶的生长。两性离子链对Zn²⁺的调节作用也得到了密度泛函理论（DFT）的证实，Zn²⁺倾向于与-COO^–结合，-COO^–和Zn²⁺的结合能也高于Zn-H₂O（-9.59 eV），这表明Zn²⁺将被-COO^–而不是水捕获。

由于这两个独特的功能，PZIL-Zn在1 mA cm^-2时提供更长的2600小时的循环，具有低可逆沉积电位（约50 mV），在1000个周期中，平均CE为99.65%，而裸锌只能循环160圈。与二氧化锰正极相结合组成的全电池也表现出出色的稳定性。

本文通过聚两性离子液体修饰层，展示了一种有前途的制造高性能水系锌电池的方法。

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