AEM: 锌电池的性能飞跃：18 - 冠 - 6 的神奇 “炼金术”

研究背景：水系锌离子电池因材料丰富、成本低和安全性高受关注，但锌负极面临枝晶生长、析氢反应和钝化等问题。添加电解液添加剂是改善电池性能的有效策略，其中冠醚类添加剂有潜力，但此前对 18 - 冠 - 6 促进去溶剂化的能力研究不足。

实验方法：在 1 m ZnSO₄电解液中添加不同浓度 18 - 冠 - 6，组装 Zn||Zn 对称电池、Zn||Cu 不对称电池及 Zn||NH₄V₄O₁₀ 全电池，通过多种电化学测试、光谱分析和模拟计算，研究添加剂对电池性能、电解液性质、锌离子溶剂化结构和电极界面的影响。

实验结果

添加剂浓度优化：实验表明，0.5 m 18 - 冠 - 6 电解液表现最佳。在 1 mA cm⁻² 和 1 mAh cm⁻² 条件下，Zn||Zn 对称电池循环时间超 1700 h，远超基础电解液（BE）。Zn||Cu 不对称电池测试确定 0.5 m 为最佳浓度。

作用机制研究：18 - 冠 - 6 分子的环结构和氧原子分布利于形成阳离子通道，其对锌阳极表面吸附能强，优先吸附并阻碍水分子吸附。光谱表征显示，添加剂改变水分子氢键网络，削弱 Zn²⁺与 SO₄²⁻相互作用，减少自由水分子。分子动力学模拟表明，18 - 冠 - 6 进入锌离子溶剂化鞘层，形成 [Zn (H₂O)₅(18 - 冠 - 6)]²⁺结构，降低去溶剂化能和活化能。

电极性能提升：添加 18 - 冠 - 6 抑制了副反应，循环后 Zn 负极在 0.5 m 电解液中表面光滑，无副产物衍射峰。Zn||Cu 不对称电池测试显示，该添加剂促进 Zn²⁺均匀成核，提升 Zn²⁺转移数，降低界面电荷转移电阻，形成均匀有机 - 无机混合界面层。

全电池性能优异：Zn||NH₄V₄O₁₀全电池中，含 0.5 m 18 - 冠 - 6 电解液的电池可逆性好，倍率性能提升。在 10.0 A g⁻¹ 下循环 4000 次后，容量达 100.9 mAh g⁻¹ ，容量保持率为 69.5%，自放电率降低。

研究结论：18 - 冠 - 6 作为电解液添加剂，通过抑制水引发的界面副反应，促进锌离子可逆沉积，显著提升了锌金属电池的可逆性和稳定性，在水系锌离子电池中具有重要应用价值。

图文简介

使用不同电解质的 Zn||Zn 对称电池在以下电流密度和面积容量下的循环性能：a) 电流密度 1 mA/cm² 、面积容量 1 mAh/cm² ；b) 电流密度 0.1 mA/cm² 、面积容量 1 mAh/cm² ；c) 电流密度 10 mA/cm² 、面积容量 2 mAh/cm² 。d) 与先前报道研究的循环性能对比。e) 使用不同电解质的 Zn||Cu 不对称电池在电流密度 1 mA/cm² 、面积容量 0.5 mAh/cm² 下测试的库仑效率。f) 基础电解质（BE）和 g) 含 0.5 m 18 - 冠 - 6 电解质的不对称电池在第 1 次、第 20 次和第 140 次循环时的充放电电压曲线。

从MD模拟中得到a ) BE和c ) 0.5 m 18 -冠- 6的3D快照。b，d )从( a , c)中的MD模拟中收集径向分布函数和配位数。e )不同电解质的脱溶剂过程。f ) Zn在BE和0.5 m 18 -冠- 6电解质中沉积的Arrhenius曲线和活化能。

锌负极在ZnSO4电解液(左)和0.5 m 18 -冠- 6电解液(右)中的界面化学示意图

论文信息

通讯作者： Wutao Mao, Keyan Bao, Shenglin Xiong