Angew. Chem. ：含孤对电子的亲锌Lewis碱溶剂稳定“三高条件”下的锌负极

具有低成本、无毒、高自然丰度、合适的氧化还原电位和高理论容量的金属锌（Zn）是水系锌离子电池理想的负极材料之一。然而，由锌成核不均匀和离子扩散动力学缓慢导致的枝晶生长，以及电极界面的高活性游离水和Zn²⁺-H₂O的强库仑相互作用引发的副反应极大限制了锌负极的循环稳定性和库伦效率，尤其是在“三高条件”（高电流、高面积容量和高DOD）下，该现象更为严重。

近日，中山大学卢锡洪教授、广东工业大学刘晓庆教授和五邑大学王付鑫博士合作，基于Zn²⁺的Lewis酸特性，通过引入含孤对电子的Lewis碱溶剂分子来稳定锌负极，特别是在“三高条件”下。

首先，以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为例，基于Lewis酸碱的强相互作用，Zn²⁺优先与含孤对电子对的亲锌DMF分子配位，取代Zn²⁺溶剂化鞘内的部分H₂O分子，优化Zn²⁺溶剂化结构。其次，具有独特吸引电子特性的孤对电子可以与水分子相互作用形成分子间氢键，而强烈的分子间氢键效应会破坏水分子的四面体结构及其原有的氢键网络，从而抑制自由水的反应活性。在以上两种因素的共同作用下，电极面积为20 cm²的Zn||Zn软包电池在高电流密度（50 mA cm^-2），高面积容量（50 mAh cm^-2）和高DOD（60%）的条件下，可以实现长达1000 h的稳定循环，优于最近报道的大多数锌负极性能。

光学显微镜成像系统对不同电解液中的锌沉积/溶解过程的原位监测、电化学阻抗测试、析氢反应和电极腐蚀情况等方面的研究再次验证了含孤对电子的亲锌溶剂分子在抑制锌枝晶和析氢等副反应方面的作用。此外，我们也验证了其他含孤对电子的Lewis碱溶剂分子，例如N,N-二甲基乙酰胺和1,2-二甲氧乙烷，同样对锌负极的稳定性具有积极作用，这进一步验证了通过引入含有未共享电子对的Lewis碱溶剂分子来稳定锌负极这一策略的可行性。

此外，基于含孤对电子的亲锌溶剂电解液组装的全电池也表现出更加优异的循环稳定性和库伦效率。引入含孤对电子的亲锌Lewis碱基电解液这一策略，为实现锌负极在极端条件下的稳定性提供了一种新思路。

论文信息

Unshared Pair Electrons of Zincophilic Lewis Base Enable Long-life Zn Anodes under “Three High” Conditions

Lijun Zhou, Fuxin Wang, Fan Yang, Prof. Xiaoqing Liu, Dr. Yanxia Yu, Prof. Dezhou Zheng, Prof. Xihong Lu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202208051