黄云辉/秦家千/张新宇EES: 无枝晶/副反应锌电池中Zn2+溶剂化的结构调控

v-suan • 2023年10月15日下午8:13 • 顶刊解读 • 阅读 63

高安全性和低成本的水系锌离子电池（ZIBs）是一种有前景的电网级储能技术，而锌负极的腐蚀、析氢反应和枝晶生长阻碍了其进一步发展，这些都源于电解液中Zn²⁺溶剂化结构的活性水分子分解。

在此，华中科技大学黄云辉教授、泰国朱拉隆功大学秦家千研究员及燕山大学张新宇教授等人从调节电解液中Zn²⁺溶剂化结构的角度总结了无枝晶和抑制副反应的锌金属负极的策略。正如所证明的，锌负极上发生的所有副反应和枝晶问题都涉及Zn²⁺和H₂O分子之间的强相互作用。因此，开发一些策略来改变Zn²⁺和H₂O分子的相互作用并调节Zn²⁺的溶剂化结构非常重要。

根据不同的电化学机理，作者将各种溶剂化结构调节策略分为以下几类：高浓电解液、深共晶溶剂、离子液体、功能添加剂、固态电解质和过饱和电解液。此外，作者详细分析了弱化Zn²⁺溶剂化效应、交替[Zn(H₂O)₆]²⁺溶剂化壳层中的H₂O分子、促进去溶化动力学、在锌负极表面建立贫水钝化层等具体策略的作用。

图1. Zn²⁺溶剂化过程和锌负极与电解液之间相应的界面相互作用

尽管上述策略对Zn²⁺的溶剂化结构产生了巨大影响，但目前对ZIBs电解液工程的研究仍处于起步和实验室阶段。

最后，作者展望了对锌离子溶剂化结构的电解液工程的进一步发展：

（1）系统地表征锌离子的溶剂化结构，包括NMR、（原位）拉曼光谱、FTIR、XAFS光谱、EXAFS光谱以及DFT/MD理论计算；

（2）促进去溶剂化过程，开发能够调整Zn²⁺的溶剂化结构并促进去溶剂化过程的电解液添加剂；

（3）开发新的基于深共晶溶剂和离子液体的电解液系统；

（4）设计功能更全面、效果更好的电解液添加剂；

（5）开发先进的全/准固态电解质；

（6）研究电解液或电解液添加剂对正极材料电化学性能的影响。

图2. Zn²⁺溶剂化结构调控未来研究的示意图

Strategies on regulating Zn²⁺ solvation structure for dendrites-free and side reactions-suppressed zinc-ion batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE03377H

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黄云辉/秦家千/张新宇EES: 无枝晶/副反应锌电池中Zn2+溶剂化的结构调控

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