深大张培新/马定涛ACS Energy Letters：微量添加剂实现水系锌金属电池宽温稳定循环

缓慢的传输动力学和不稳定的电极界面热力学是阻碍水系锌金属电池发展的主要原因。

在此，深圳大学张培新，马定涛等人提出了微量添加剂介导的疏水结构编辑的概念，通过添加三官能两性聚（丙烯酸）（PAA）来重建Zn²⁺溶剂化结构，并在电极表面原位自组装化学吸附层。具体而言，Zn²⁺的运输动力学可以通过与电离的PAA分子链协调而得到增强。

此外，该疏水界面可以避免H₂O与电极直接接触，从而抑制副反应和溶解。因此，在5 mA cm^–2下电池表现出8232 mAh cm^–2的高容量，并且在-25和60°C下寿命分别延长了60和35倍。

图1. 作用机制示意图

总之，该工作展示了通过微量添加剂介导疏水结构编辑实现了水系锌金属电池宽温度长期运行。针对动力学缓慢、尤其是在低温条件下的输运动力学，可以通过调节水合Zn²⁺的配位环境来提高Zn²⁺的输运动力学和反应活性。而对于电极界面不稳定的反应热力学，特别是在高温条件下，通过原位自组装形成的疏水吸附层可以解决这一问题。

因此，Zn电极在高电流密度5 mA cm^-2下展示出优异的循环稳定性，寿命达到3293小时。在极端温度环境下，循环寿命也得到显著延长，-25°C和2 mA cm^-2条件下提高了60倍，60°C和0.5 mA cm^-2条件下提高了35倍。此外，基于ZnV₂O₄的水系全电池，在5 Ag^-1条件下经过1500个循环后仍能保持327.65 mAh g^-1的高比容量。

总之，与单功能人工界面和电解质修饰方法相比，PAA可以在负极表面实现吸附层和类固体电解质(SEI)界面的形成，并重构Zn²⁺的溶剂化结构。更重要的是，PAA优化了电池在各种气候条件下的表现，提高了商业应用前景。

图2. 电池性能

Trace-Additive-Mediated Hydrophobic Structure Editing of Aqueous Zinc Metal Batteries for Enabling All-Climate Long-Term Operation, ACS Energy Letters 2023 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01872