​中大/东莞理工Nat. Commun.：弱溶剂化电解质用于可充电水系锌离子电池

水溶剂化引起的结构坍塌和副反应是制约锌离子电池实际应用的主要因素。[Zn(H₂O)₆]²⁺溶剂化结构中Zn²⁺与H₂O之间的强配位键，导致Zn²⁺的脱溶剂化动力学缓慢，会使得Zn²⁺-H₂O配合物共嵌入正极材料中，导致不可逆的晶格膨胀，最终引起结构坍塌。[Zn(H₂O)₆]²⁺脱溶剂化时释放的大量水分子会与Zn负极接触，引发析氢反应(HER)、腐蚀等副反应。因此，减少溶剂化水的数量是抑制AZIBs正极和负极失效的关键。

在此，中山大学卢锡洪、杨祖金，东莞理工学院谢世磊等人配制了一种弱溶剂化电解质，以降低H₂O的溶剂化能力，并增强SO₄²⁻与Zn²⁺相对于H₂O的配位竞争力。结果显示，实现了 Zn²⁺ 的贫水溶剂化结构首先可以消除 Zn 负极上溶剂化 H₂O 介导的不良副反应。其次可以提高 Zn²⁺ 的去溶剂化动力学并抑制 Zn 枝晶生长以及正极结构畸变。

最后，这两个因素的协同作用使全电池具有长寿命，包括 Zn/NaV₃O₈·1.5H₂O、Zn/MnO₂ 和 Zn/CoFe(CN)₆ 电池。更重要的是，组装了实用的可充电AA型Zn/NVO电池，其容量为101.7 mAh，在0.66 C下循环30次后容量保持率稳定为96.1%。

图1. WSE中NVO正极的电化学性能及结构演变

总之，该工作通过将丁酮作为电解质添加剂，降低H₂O的溶剂化能力，从而使溶剂化后的H₂O减少，形成一种[(Zn²⁺)(H₂O)_4.3(SO₄²⁻)_1.3(C₄H₈O)_0.4]的贫水溶剂化结构，减轻了电池循环过程中正极结构畸变/坍塌以及Zn负极枝晶生长和副反应。

结果显示，采用WSE的AA-Zn/NVO容量高达101.7 mAh,30次循环后容量保持率高达96.1%。尽管水系锌离子电池仍有许多需要探索的地方，例如寻找性能更好的负极和高质量负载正极(>20 mg cm^-2)的制造技术，但该工作提出的电解质设计策略为实现水系锌离子电池的高可持续性发展迈出了重要一步。

图2. AA-Zn/NVO电池的电化学性能

A weakly solvating electrolyte towards practical rechargeable aqueous zinc-ion batteries, Nature Communications 2024 DOI: 10.1038/s41467-023-44615-y