水系鋅離子電池(AZIBs)因其低成本和高安全性而成為儲能領域的研究熱點。然而，由于鋅枝晶和副反應等問題，AZIBs的廣泛應用面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的含水鋅鹽電解質中，溶劑化的Zn2+會由于高去溶劑化能壘而導致鋅枝晶的增長。同時，溶劑化鞘中的高活性水會導致副反應，包括析氫反應和腐蝕。此外，該電解質中的水分子之間的氫鍵網絡，導致電解質的冰點較高，從而導致低溫性能不佳。
圖1SUC/ZS/PAM作用機制及組裝的全電池低溫性能。
調節(jié)鋅離子的溶劑化結構、抑制水的活性、重建氫鍵網絡和減少溶劑化水，是解決上述問題的關鍵。近日，環(huán)境與材料工程學院姜付義團隊和清華大學康飛宇團隊合作在自然指數(shù)期刊ACS Nano（IF：15.8）上發(fā)表題為《Modulating Hydrogen Bond for Stable Zinc Anode with Wide Temperature Range via Sucrose and Polyacrylamide Synergistic Effect》的學術論文。該工作提出了一種凝膠和電解液添加劑的協(xié)同策略，通過向聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質中添加電解質添加劑蔗糖（SUC）提高鋅負極的穩(wěn)定性。通過光譜學測試和密度泛函理論確定了SUC和PAM之間的協(xié)同效應能夠有效地調控鋅離子溶劑化結構以及氫鍵網絡。采用力學性能測試揭示SUC添加劑可以提高水凝膠電解質的抗拉伸、抗壓縮、保水性等性能。通過物相表征對循環(huán)后的鋅負極進行了測試，結果表明SUC和PAM之間的協(xié)同作用抑制了鋅負極副產物的形成和鋅枝晶的生長。電化學測試結果顯示，在常溫下Zn//Zn對稱電池實現(xiàn)了超6000小時的穩(wěn)定循環(huán)。在低溫至?10℃下，對稱電池具有接近4000小時的循環(huán)壽命。Zn//VO2全電池能在?10℃至40℃寬溫域范圍內穩(wěn)定循環(huán)1000次。以上結果表明，凝膠和電解液添加劑的協(xié)同策略能夠抑制鋅負極上副反應的發(fā)生，從而實現(xiàn)寬溫域下的穩(wěn)定運行的電池器件。這個工作為實現(xiàn)寬溫度適應性和長循環(huán)穩(wěn)定性的水系鋅離子電池提供了思路。
該論文以煙臺大學為第一單位，煙臺大學研究生安韻琳、舒暢為論文的第一作者，煙臺大學姜付義教授、劉文寶副教授及清華大學康飛宇教授為論文通訊作者，相關工作得到了國家自然科學基金、山東省自然科學基金的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c18178
來稿時間：4月17日 審核：劉俞斌 責任編輯：徐揚
