近日,复旦大学的王永刚教授课题组通过在水系电解液中加入乙二醇二甲醚(DME)共溶剂和痕量碘离子,同时解决了高水活性的问题以及由有机共溶剂的加入而导致的缓慢锌离子沉积/溶出的动力学问题。此种策略极大地提高了锌金属负极的稳定性,使其在对称电池和全电池中分别拥有高达75%和27%的利用率。
因此,在上述基础上,电解液加入了痕量的碘离子。通过循环伏安(CV),交流伏安(ACV)以及Ztea电位测试,证明了碘离子在锌负极表面能够形成特定的吸附层,并明显增大锌负极表面的双电层电容值。进一步测试电池在不同温度下的阻抗,证明在负极表面特定吸附的碘离子可以显著降低锌离子的脱溶剂化能。交换电流密度测试则表明加入的碘离子最终达到了加快锌离子沉积/溶出动力学过程的目的。扫描电子显微镜(SEM)表征则证明了,特定吸附的碘离子可以促进锌离子均匀成核并沿着平面沉积,有效抑制枝晶的生长。
于是,使用同时加入DME和碘离子的电解液装配的Zn//Zn对称电池可以达到10500 h 的循环寿命,这也是目前报道的最长的锌对称电池的循环时间。此外,在75%的高锌利用率下,对称电池仍然可以循环超过300 h。使用自支撑的二硫化钒正极(VS2@SS)搭配此电解液,可以实现在27%的锌利用率下循环170圈。即使正极活性物质载量达到16mg cm-2,电池也能稳定循环1600圈。
最终,该研究策略为提高水系锌金属电池的负极稳定性和利用率方面提出了有效的解决方案,并助力于未来高性能水系锌金属电池的发展。
Kang Zhou, Zhi Li, Xuan Qiu, Zhuo Yu, Prof. Yonggang Wang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202309594