卢锡洪Angew：电解液添加剂助力高放电深度/高面容量/高电流下的锌负极！

v-suan • 2023年10月8日下午8:46 • 顶刊解读 • 阅读 37

析氢和枝晶问题是导致锌负极寿命和库仑效率（CE）有限的罪魁祸首，特别是在苛刻的测试条件下。

中山大学卢锡洪等考虑到Zn²⁺的Lewis酸性特征，建议采用具有丰富不共享对电子的亲锌Lewis碱分子作为合适的电解液添加剂，以稳定在”三高”条件下（高放电深度(DOD)、高面积容量和高电流）的Zn负极。

卢锡洪Angew：电解液添加剂助力高放电深度/高面容量/高电流下的锌负极！

图1. 溶剂化结构的MD模拟

首先，Zn²⁺与亲锌非共享对电子之间强烈的路易斯酸碱相互作用，预计将通过配位减少水合Zn²⁺溶剂化鞘中的H₂O分子，并抑制Zn²⁺在界面上的随机、不可控扩散。

其次，不共享对电子的独特吸电子特性可以与H₂O分子相互作用，形成分子间氢键。强烈的分子间氢键效应将打破H₂O分子的四面体结构及其原有的氢键网络，从而限制了自由水的反应性。这两个因素的结合可以实质性地解决锌负极的析氢和枝晶问题，即使是在”三高”情况下。

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图2. 半电池性能

作为概念证明，在上述优点的推动下，作者在ZOTF电解液（2M Zn(OTf)2-H₂O）中加入DMF，在沉积/剥离过程中，在15%的DOD下，Zn负极的CE从~41.1%（50次循环后）提升到~100%（100次循环后）。其他路易斯碱分子如N,N-二甲基乙酰胺（NND）和1,2-二甲氧基乙烷（12D）也有类似的改善趋势。

令人鼓舞的是，大尺寸Zn||Zn-ZOTF-2H1D 软包电池还实现了延长的循环耐久性，在约60%DOD时具有相对恒定的电压滞后超过1000小时，并具有显著的高面容量。此外，通过在ZOTF-2H1D电解液中配对VO正极和Zn负极，还可以实现长寿命的全电池，约2000次循环后未检测到可见的容量衰减，以及约100% CE。因此，这种在电解液中引入路易斯非共享对电子的做法为在极端测试条件下稳定锌负极提供了一个创新的想法。

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图3. 全电池性能

Unshared Pair Electrons of Zincophilic Lewis Base Enable Long-life Zn Anodes under “Three High” Conditions. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202208051

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