AEM: 水分子行为的三重调控，通过一种新型的低成本共晶电解质实现锌金属水系电池的高稳定性和宽耐温性

水系电解质中水的高活性会对锌阳极产生剧烈的副反应，严重限制了水系锌金属电池（AZMB）在极端条件下的电化学性能。在此，研究人员开发了乙酰丙酸作为水合深共晶溶剂（DES），以构建一种新型不易燃、经济高效的基于ZnSO4的共晶电解质，并对水分子的行为进行三重调节，从而使AZMB在较宽的温度范围内保持高度稳定。原位实验、分子动力学模拟和光谱分析共同揭示了DES能够通过同时控制共晶电解质体系中自由水分子、溶解水分子和界面水分子的行为，全面降低水活度。因此，锌阳极表现出超长的循环稳定性（在1 mA cm-2/1 mAh cm-2 条件下循环4500 小时）、99.39%的库仑效率和出色的耐温性（-20-50 °C）。值得注意的是，所设计的2.0 Ah Zn//VOX袋式电池的实际能量密度为37.46 Wh Kg-1，整个电池的能量密度为95.38 Wh L-1，150 个循环后的容量保持率高达81.01%，显示了将其放大为真正的AZMB的潜力。这项研究深入了解了水分子行为与AZMB电化学特性之间的相关性。

图文简介

a，b )水分子在含水电解质中的不同行为特征的示意图。c )水分子行为的三重调控对电解质环境和Zn电极界面演化的影响。d )基于Sigma价格表的锌盐价格。e ) H2O，C5H8O3分子的LUMO和HOMO能量值。f ) DES-X电解质的DSC曲线。g ) DES-X电解质的离子电导率和粘度。h ) DES0，DES30，DES50和DES70电解质的成核过电位( ηn )和生长过电位( ηg )的比较。I )玻璃纤维浸入DES50溶液后的点燃试验照片。

a ) AEV分子的静电势图。b ) 1500-1800 cm-1和3000 - 3600 cm -1之间的O-H弯曲振动峰的FTIR光谱。c )不同溶液的1H NMR光谱。d，g ) ZnSO4和ZnSO4-AEV的分子动力学( MD )计算模拟图。e，h )模拟了Zn2+在DES0和DES50电解质中的径向分布函数( RDFs )和配位数( CN )。f，i )从DES0和DES50的MD模拟中收集到的不同类型的氢键比例。j ) Zn2+与AEV，Zn2+与H2O，AEV与H2O，H2O与H2O的结合能。K )自由能改变[(Zn(H2O)6]2+到[(Zn-(H2O)5AEV]2+的溶剂化结构。i ) DES-X的Zn2+迁移数。

a ) Zn//Cu对称电池在DES0和DES50电解液中0.5 mA cm -2和0.5 mAh cm -2的库伦效率。b ) Zn//Zn对称电池在DES0和DES50 ( 5 mA cm-2 , 1 m Ah cm -2)电解液中的循环性能。c ) DES50电解液体系与最近报道的低共熔电解液体系的比较。d )对称锌电池在锌利用率( ZUR )为80 %时的循环性能。e )固定电镀容量为1 mAh cm -2的Zn//Zn对称电池的倍率性能。Zn / / Zn对称电池在f ) -20 °C和g ) 50 °C ( 0.25 mA cm -2和0.25 mAh cm -2)下的循环性能。

a ) Zn//VOX全电池在DES50电解液中的放电过程示意图；b ) Zn//VOX电池在DES0/DES50中的CV曲线；c )倍率性能，以及在1 A g -1下分别在d ) ~ 20 ℃和e ) 50 ℃下的长期循环性能；f )设计的2.0 Ah Zn//VOX软包电池的照片和内部构型示意图；g )软包电池给小风扇供电的展示；h )组装的软包电池的循环性能；i ) Zn//VOX软包电池在不同循环次数下的电压-容量曲线。

论文信息

通讯作者：Huibing He