近日，材料与能源学院刘兴泉教授团队在《Advanced Materials》和《Energy Storage Materials》上分别发表了题为《Modulating zinc metal reversibility by confined antifluctuator film for durable and dendrite-free zinc ion batteries》和《In-depth study on the regulation of electrode interface and solvation structure by hydroxyl chemistry》的研究性论文。
电子科技大学材料学院在锌离子电池方向连续发表高水平研究成果
近日，材料与能源学院刘兴泉教授团队在《Advanced Materials》和《Energy Storage Materials》上分别发表了题为《Modulating zinc metal reversibility by confined antifluctuator film for durable and dendrite-free zinc ion batteries》和《In-depth study on the regulation of electrode interface and solvation structure by hydroxyl chemistry》的研究性论文。《Advanced Materials》是Wiley出版社旗下顶级材料科学综合期刊，影响因子32.086；《Energy Storage Materials》是Elsevier出版社旗下著名材料科学综合期刊，影响因子20.831。
锂离子电池因其优异的能量密度，在便携式电子产品和电动汽车充电电源市场备受关注。
然而，锂资源有限，成本高，安全隐患大，使得锂离子电池只是一个中期解决方案。值得关注的是，水系锌离子电池(ZIBs)由于其安全性和无毒性，可以与锂离子电池竞争能源市场。
目前，对ZIBs的研究主要集中在锌箔为阳极、活性材料为阴极的循环性能上，具有较高的负/正(NP)比。因此，由于其日历寿命和高NP比，锌箔可能不适合大规模工业应用。作为对比，锌基粉末(Zn-P)材料具有许多积极的特点，如低的性价比，良好的机械性能和加工性。
然而，其微观结构预计会使Zn阳极更加复杂，这增加了腐蚀的风险，并且其固有的化学不稳定性限制了其进一步的应用。
刘兴泉教授和扬州大学庞欢教授团队开发了实心、空心和蛋黄壳等一系列锌碳复合微球作为锌金属缓冲器，用于锌阳极的电镀剥离。其中蛋黄壳的微球(ZCYSM)具有优异的电子、离子电导率、以及抗腐蚀和缓冲作用。
组装的对称电池在高电流密度为10 mA cm2时具有超过4000 h的优异循环稳定性和4 Ah cm2的累积电镀容量。组装的Zn//CaV6O163H2O电池在5A g1的电流密度下循环超过5000次，制备的耐用的软包电池可以给人工突触器件长时间供电，为水系锌电池提供新型的潜在的应用方向。
此外，目前学界已经报道了多种抑制锌枝晶生长和腐蚀的策略，包括表面涂层、隔膜改性、凝胶电解质功能化、阳极结构设计和电解质添加剂的引入等。其中，在电解液中引入添加剂是电解液优化的有效策略之一，因其制备工艺简单、无效重量小、制造成本低而被认为是一种有前景的实现商业应用的途径。
一些添加剂如葡萄糖、麦芽糖、甲醇、木质素、乙二醇等已经被广泛报道。这些电解质添加剂都含有一定数量的羟基，有利于它们在水中的溶解，且改变了Zn2+的溶剂壳结构。但是，添加剂中羟基的数量对电极界面和溶剂化结构的调节作用尚不清楚，这不利于筛选性价比更高的可用于ZIBs的添加剂。因此，探究具有合适羟基数量的添加剂来调节锌阳极电极界面和溶剂化结构，以提高其稳定性是非常必要。
发表在《Energy Storage Materials》上的成果“In-depth Study on the Regulation of Electrode Interface and Solvation Structure by Hydroxyl Chemistry”，在微酸性电解质中引入了不同羟基数量的1-Hex、1,2-Hex、1,2,5,6-Hex和Hex四种添加剂，研究了它们对锌阳极化学可逆性的调节作用。综合NMR、FTIR、DFT计算、SEM和原位光学显微镜结果，1-Hex、1,2-Hex、1,2,5,6-Hex和Hex不仅可以改变Zn金属表面的吸附情况，还可以与游离H2O分子相互作用，削弱Zn2+在电解质中的溶剂化作用，从而抑制析氢、腐蚀反应和不受控制的枝晶形成。
有趣的是，Hex被证明是最有效的添加剂，因为它与水分子具有更高的结合能和与锌金属表面更强的吸附能。结果表明，加入Hex的ZnSO4电解液经过650次循环后，平均CE为99.1%，显著高于纯ZnSO4电解液。
另外，使用ZnSO4和Hex添加剂作为电解质的Zn//V2O5扣式电池在4000次循环后的容量保持率高达96.0%。研究结果证明了Hex添加剂对提高ZIBs化学可逆性的显著影响，为今后电解质添加剂的筛选提供了一定的参考。
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