一、引言

可充電鋅離子電池(ZIBs)因其材料成本低、環(huán)境友好、安全可靠等優(yōu)點，在可持續(xù)能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。水系ZIBs通常使用低鹽濃度的弱酸性水系電解質(zhì)(例如，1 M ZnSO4或ZnCl2)和隔膜來分離鋅金屬負極和正極。然而，由于鋅金屬電極的反應(yīng)性高，表面鈍化性差，H2O的電化學穩(wěn)定窗口窄，鋅金屬與水系電解質(zhì)界面副反應(yīng)加劇，以及其他與正極有關(guān)的問題，它們存在化學(如鋅金屬腐蝕)和電化學降解(如析氫反應(yīng)，HER，枝晶形成)。這些問題容易導致低的庫侖效率(CE)，低的能量效率(EE)，低的循環(huán)穩(wěn)定性和短路。 為了獲得更好的日歷和循環(huán)壽命，關(guān)鍵在于調(diào)整鋅金屬-電解質(zhì)界面的化學和電化學相互作用。調(diào)控電解質(zhì)，如使用混合有機和水溶劑、電解質(zhì)添加劑和高鹽濃度電解質(zhì)等策略，有望解決上述問題。然而，有機溶劑增加了安全性問題，高鹽濃度電解質(zhì)大大增加了成本，因此迫切需要開發(fā)出低鹽濃度的水系電解質(zhì)。

二、正文部分

成果簡介 近日，華中科技大學黃云輝教授、伽龍教授和麻省理工學院李巨教授，報道了一種新的鋅鹽設(shè)計和一種長循環(huán)壽命水系ZIBs。帶有陰離子基團N-(苯磺酰基)苯磺酰胺(BBI?)的Zn(BBI)2鹽具有特殊的兩親性分子結(jié)構(gòu)，兼具親水和疏水基團的優(yōu)點，可以適當調(diào)節(jié)溶解度和界面條件。這種新型鋅鹽不含氟，能夠以高產(chǎn)率和低成本的方法合成。1 M Zn(BBI)2水系電解質(zhì)具有寬的電化學穩(wěn)定性窗口，有效地穩(wěn)定了Zn金屬/H2O界面，減緩了化學和電化學降解，并使用鋅金屬電極實現(xiàn)了性能優(yōu)異的對稱電池和全電池。該研究以題目為“A New Zinc Salt Chemistry for Aqueous Zinc-Metal Batteries”的論文發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

圖文導讀

【圖1】Zn(BBI)2鹽及其水溶液的結(jié)構(gòu)與性能。a)鋅鹽設(shè)計的關(guān)鍵因素。b)BBI-陰離子基團的原子結(jié)構(gòu)。c)1 M ZnSO4、1 M Zn(TFSI)2和1 M Zn(BBI)2的XANES。d)0.1 M、0.5 M和1 M Zn(BBI)2的1H NMR。比較1 M Zn(BBI)2, 1 M Zn(TFSI)2, 1 M Zn(OTf)2和1 M ZnSO4的e)pH, f)1H NMR化學位移δ，g)拉曼光譜，h)25℃水活度(h)，i)LSV曲線。

【圖2】a)1MZn(BBI)2和1MZnSO4電解液組裝的Zn||Cu電池在5 mAcm?2@5 mAh cm?2下的CE。b)1 M Zn(BBI)2和1 M ZnSO4電解液組裝的Zn||Zn電池在2 mA cm?2@2 mAh cm?2下的循環(huán)性能。c)1 M Zn(BBI)2和1 M ZnSO4電解液組裝的Zn||Zn電池在20 mA cm?2@1 mAh cm?2下的循環(huán)性能。

【圖3】1 M Zn(BBI)2和1 M ZnSO4組裝的Zn||Zn電池在20 mA cm?2@1 mAh cm?2下循環(huán)后的a)Zn電極和b)隔膜。1 M Zn(BBI)2和1 M ZnSO4組裝的Zn||Zn電池在1mA cm?2@1 mAh cm?2下循環(huán)100次后的c)鋅電極，d)電解質(zhì)，e)鋅電極的XRD。f)1 M ZnSO4和g)1 M Zn(BBI)2電解質(zhì)組裝的Zn||Zn電池在20 mA cm?2@20 mAh cm?2下循環(huán)時，鋅電極的原位形貌演變，以h)1 M ZnSO4和i)1 M Zn(BBI)2電解質(zhì)組裝的Zn||Zn電池在1 mA cm?2@1 mAh cm?2下循環(huán)100次后截面掃描電鏡圖像。j)2cm寬的方形Zn||Zn軟包電池在循環(huán)前和循環(huán)1、2、5后的超聲透射圖像。k)在室溫下儲存6個月后，含有1m ZnSO4和1m Zn(BBI)2的Zn||Zn軟包電池照片。

【圖4】1MZn(BBI)2電解質(zhì)組裝的Zn||PANI全電池在a)0.1 Ag?1下的首圈充放電曲線，b)倍率性能，(c)在1 Ag?1下的循環(huán)性能，以及(d)0.5 V至1.5 V(vs. Zn2+/Zn)之間的電壓極化(ΔE)。e)具有1 M ZnSO4和1 M Zn(BBI)2的Zn||PANI電池在5 A g?1下的循環(huán)性能。

【圖5】模擬富Zn(BBI)2的Zn/H2O界面。a）在300K下250ps MD退火后，具有“雙層”結(jié)構(gòu)的準穩(wěn)態(tài)構(gòu)型。MD在b)44 ps, c)46 ps, d)48 ps時的快照，MD在150 ps(e)，154 ps(f)，156 ps(g)時的快照，MD在h)245 ps, i)247 ps時的快照。

總結(jié)和展望 本工作發(fā)明了一種用于水系ZIBs的新型鋅鹽，其具有獨特的兩親性分子結(jié)構(gòu)。親水性的-SO2-N-SO2-基團和疏水性的-Ph基團的適當組合，使得Zn(BBI)2具有弱的溶解度，其1M溶液顯著降低了水活性并穩(wěn)定了Zn金屬/H2O界面。該新型低鹽濃度電解質(zhì)1M Zn(BBI)2能夠大大提高Zn||Cu電池、Zn||Zn對稱電池和Zn||PANI全電池的電化學性能，優(yōu)于商用1M ZnSO4電解質(zhì)以及使用有機鹽的其他電池（如1M Zn(OTf)2和1M Zn(TFSI)2）。鹽的界面降解，在Zn金屬/電解質(zhì)界面形成導Zn2+但不導H+和e+的“固體電解質(zhì)”層，這是增強電化學穩(wěn)定性的關(guān)鍵。該新型電解質(zhì)體系易于合成，成本低，化學和電化學穩(wěn)定性優(yōu)異，使水系ZIB能夠用于可持續(xù)能源應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩