​东北师大EnSM：质子驱动的双边界面化学和电解质结构重塑实现高度可逆的锌金属负极

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​东北师大EnSM：质子驱动的双边界面化学和电解质结构重塑实现高度可逆的锌金属负极
因锌金属负极（ZMA）具有高理论容量（5855 mAh/cm³ 和820 mAh/g）、低氧化还原电位（与标准氢电极相比为-0.76 V）、无毒性、资源丰富以及成本低等优点，水系锌离子电池（AZIBs）在电网规模的储能应用中具有广阔的前景。然而，锌枝晶的形成和H2O诱发的副反应对AZIBs的安全性构成了巨大威胁，并显著限制了其进一步的发展。
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在此，东北师范吴兴隆、张景萍、李文亮、谢丹等人将3-（环己胺）-1-丙磺酸（CAPS）两性离子作为一种多功能添加剂引入到2 M ZnSO4 电解质中，以同时调节锌负极和正极的界面化学以及Zn2+的溶剂化结构，从而改善两个电极的界面和结构稳定性。CAPS两性离子在ZMA表面的优先吸附有利于构建一个由阳离子基团（>NH2+）的静电屏蔽效应产生的阳离子保护层（CPL），从而抑制枝晶的生长。同时，CAPS两性离子可以通过形成共轭酸碱对来自我调节双边界面的pH值，抑制析氢反应和锌负极表面的腐蚀。此外，CAPS两性离子改变了Zn2+的溶剂化结构，削弱了H2O分子的反应活性，减少了钒元素从正极材料中的溶解。
因此，在ZnSO4+CAPS电解质中，Zn||Zn对称电池获得了出色的循环稳定性（1 mA cm-2, 1 mAh cm-2, 2300 h），Zn||Cu不对称电池循环1600次后平均库仑效率高达99.7%。
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图1.界面表征
总之，该工作将CAPS 两性离子充当电解质添加剂，用于抑制枝晶生长、副反应和正极材料的溶解。结果表明， CAPS两性离子可以优先吸附在ZMA表面形成CPL，均匀化Zn2+沉积进而抑制Zn枝晶生长。同时，CAPS两性离子/质子化可以通过接受/释放H+维持ZMA和正极表面的酸碱平衡，从而有效抑制HER的发生和副产物的形成。
此外，CAPS两性离子还可以通过-SO3−基团和Zn2+之间的强相互作用改变初级Zn2+溶剂化鞘，进一步限制副反应。因此，CAPS两性离子的引入使得Zn||Zn对称电池、Zn||Cu 不对称电池以及Zn||Od-NH4V4O10 和 Zn||MnO2 全电池均表现出优异的电池性能。因此，该工作从调控界面化学和电解质溶剂化结构的角度为实用AZIB的实现提供了有意义的指导。
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图2. 电池性能
Proton-Driven Bilateral Interfacial Chemistry and Electrolyte Structure Reconstruction Enable Highly Reversible Zinc Metal Anodes, Energy Storage Materials 2024 DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103497

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