【文章信息】
内置三模态分子相互浸染效应实现界面兼容、耐温的水性锌电池
第一作者：陈秋婷
通讯作者：张培新，马定涛，李辉
第一单位：深圳大学
【研究背景】宽温度范围、长循环寿命的锌离子水溶液电池具有广阔的运用前景，但受到电极-电解质界面不稳定和电解质不匹配的限定。首先，严重的副反应和枝晶成长降落了锌阳极的可逆性。其次，失落控的阴极溶解和缓慢的脱溶剂动力学降落了活性物质的利用率，增加了反应的极化。末了，水溶液中有限的Zn2+转移数和占主导地位的游离H2O削弱了离子转移效率和界面稳定性，特殊是在极度温度条件下。一方面，在低温条件下，离子通报缓慢和水溶液粘度增加会显著降落活性物质的利用率。另一方面，高温环境加剧了阴极溶解和副产物的形成，大大降落了水性电池的稳定性和利用寿命。针对所有这些方面进行调控对付设计高性能的水锌电池是必要的，但这仍旧是一个寻衅。
【文章简介】近日，深圳大学张培新教授、马定涛助理教授&西安建筑科技大学李辉教授团队在国际有名期刊Advanced Functional Materials 上揭橥题为“Built-In Trimodal Molecular Interaction Effect Enables Interface-Compatible and Temperature-Tolerance Aqueous Zinc Batteries”的研究论文，先容了一种新的可持续水系锌电池设计范式。选择微量丁酰氨酸 (SA) 作为多功能添加剂，勾引内嵌的三模态分子相互浸染效应，实现电极亲水性、构造稳定性、界面反应动力学以及水溶液电解质中 Zn2+ 溶剂化构造的协同润色。这种独特的三重相互浸染路子显著提高了水锌电池的循环寿命和宽温度范围的适应性，实现了高效、耐高温的可逆锌沉积/剥离行为，并展示了优化后的SA介质电解质体系对高性能水性Zn-MnO2和Zn-I2电池的影响。
图1. (a) 添加不同浓度SA添加剂的ZSO电解质引发的丁达尔效应的数码照片。（b）Zn2+、SO42−和SA之间的各种结合模型，(c) 对应的结合能。(d) 采取纳米激光粒度剖析仪测试不同浓度SA添加剂下电解质胶体粒度的分布。添加不同浓度SA的ZSO电解质中 (e) SO42−和 (f) O─H键拉伸振动的拉曼光谱。(g) 添加不同浓度SA的ZSO电解质中O─H键拉伸振动的FTIR光谱。(h) ZSO和ZSO/SA-10电解质的2H NMR谱。
图2. 颠倒荧光显微镜对ZSO中的Zn阳极进行描述: (a) 10 mM SA, (b) 10 mM FITC共轭SA荧光图像。(c) ZSO和ZSO/SA-10电解质中Zn电极表面的双电层电容。(d) ZSO/SA-10电解液浸泡1 天后Zn阳极表面的Zn 2p和 (e) O 1s XPS光谱。(f) H2O和 (g) SA分子在Zn表面的吸附模型。(h) H2O和SA分子在Zn(001)平面上的吸附能。在10 mA cm−2电流密度下，Zn在 (i) ZSO和 (j) ZSO/SA-10电解质中沉积的原位光学不雅观察。在 (k) ZSO和 (l) ZSO/SA-10电解液中，1 mA cm−2电流密度下循环20次后锌箔的AFM图像。
图3. (a) ZSO和ZSO/SA-10电解质中Zn电极的Tafel曲线。(b) 1 M Na2SO4和1 M Na2SO4 + 10 mM SA下Zn阳极的HER曲线。(c) ZSO和ZSO/SA-10电解质在1 mA cm−2和1 mAh cm−2下不同循环圈数后的Zn电极的XRD图谱和相应的 (d-g) FESEM图像。在 (h) ZSO和 (i) ZSO/SA-10电解质下，在20 mA cm - 2和5 mAh cm - 2条件下Zn/Zn对称电池的原位pH测试。经SA润色的电解液 (j) 以及ZSO电解液 (k) 中锌负极 -电解质界面pH稳定机理示意图。
图4. 通过组装Zn/Zn对称电池来评估ZSO和ZSO/SA-10电解质中Zn沉积/剥离的可逆性。(a) 在1mA cm−2、1mAh cm−2、25℃条件下的循环性能测试。(b) 25℃下倍率性能测试。(c) 不同温度下的循环性能。循环性能测试分别在 (d) 1 mA cm−2、1 mAh cm−2、−10 ℃ 和 (e) 1 mA cm−2、1 mAh cm−2、50℃条件下进行。(f) 本事情与以往其他报告的循环寿命比较。(g)电解液的电化学性子与其他文献的比较。
图5. (a) PVDF膜在纯H2O和SA/H2O溶液中浸泡3天后的XPS光谱，(b) ATR-FTIR光谱。(c) (CH2 = CF2) 单体与H2O分子、(CH2 = CF2) 单体与SA分子的结合构型优化和结合能打算。(d) MnO2基阴极在ZSO/SA-10电解液中50℃ 浸泡3天后的FESEM图像。(e) ZSO和ZSO/SA-10电解质中溶解Mn含量的ICP测试。(f) 用Arrhenius方程打算的ZSO和ZSO/SA-10电解质中MnO2阴极的活化能。Zn-MnO2电池在 (g) ZSO和 (h) ZSO/SA-10电解质下的原位EIS曲线，以及 (i) 对应的Rct拟合结果。
方案1. SA勾引的内置三模态分子相互浸染机制示意图。
图6. ZSO和ZSO/SA-10电解质下全电池的电化学性能测试。对付Zn-MnO2电池: 分别在 (a) 1 A g−1和- 10°C、(b) 1 A g−1和25°C以及 (c) 3 A g−1和50°C条件下进行循环性能测试。对付Zn-I2电池: Zn-I2电池在 (d) 1 A g−1和 25℃ 以及 (e) 1 A g−1和 60℃ 条件下的循环性能测试。(f) ZSO和 (g) ZSO/SA -10电解质在1 A g−1和60°C下循环20次后的锌阳极表面的FESEM图像和相应的EDS能谱。
【本文要点】要点一： 一种独特的内置三模态分子相互浸染路子，用于构建可持续的水性锌电池。
要点二： 形成胶束聚拢态和自发吸附态，抑制副反应的发生，勾引无枝晶锌沉积。
要点三：构建疏水阴极-电解质界面，在宽温度范围内显著增强Zn/MnO2和Zn/I2水性电池的循环性能。
要点四： 微量SA分子介导体系能够对事情温度范围、离子电导率和Zn2+转移数三个方面进行调控。
【文章链接】Built-In Trimodal Molecular Interaction Effect Enables Interface-Compatible and Temperature-Tolerance Aqueous Zinc Batteries
https://doi.org/10.1002/adfm.202406386
