AFM: 解锁水系锌电池高性能密码：不对称空间屏蔽效应

研究背景：水系锌电池因锌金属阳极还原电位低、理论比容量高，在实现本质安全的电化学储能方面颇具潜力。但锌阳极与含大量水分子的溶剂化锌离子直接接触会引发析氢反应、锌腐蚀等副反应，且阳极 / 电解液界面电场分布不均会导致锌枝晶生长，阻碍其实际应用。通过电解液优化、界面涂层、隔膜改性和主体材料设计等可解决这些问题，其中利用添加剂调整双电层结构和使用共溶剂调节电解液溶剂化结构是抑制析氢反应和减轻锌枝晶形成的有效方法，但此前很少有研究考虑引入分子的体积对迁移能力的影响。

研究内容

设计原理与电化学性能：环戊基甲基醚（CPME）由小体积甲基和大体积环戊基通过醚氧键连接，具有实现不对称空间屏蔽效应的潜力。甲基迁移速度快，环戊基能形成较大屏蔽空间，二者协同平衡了迁移能力和屏蔽效应大小。含 30 vol.% CPME 的 2 mol L⁻¹ Zn (OTf)₂水系电解液（ASEE）相比不含共溶剂的电解液（BE），在析氢电位和析氧电位上有明显滞后，腐蚀电位升高，腐蚀电流降低，且能抑制锌枝晶形成，使锌沉积更均匀、平整。

电极 / 电解液界面机理：计算表明 CPME 在锌的 (002)、(100) 和 (101) 晶面的吸附能比水分子更强，实验测得 ASEE 在锌箔表面的接触角更小，证明 CPME 能优先吸附在锌阳极表面，阻止水分子与锌阳极直接接触，抑制析氢反应。

溶剂化结构差异：拉曼光谱、核磁共振、X 射线吸收光谱和分子动力学模拟等多种表征手段显示，CPME 不参与锌离子的第一溶剂化壳层，但能增强锌离子与 OTf⁻的相互作用，使更多 OTf⁻参与第一溶剂化壳层，减少水分子数量，改变溶剂化结构，提升电解液的还原稳定性。

电池电化学性能：在 Zn/Zn 和 Zn/Cu 电池测试中，ASEE - Zn/Zn 电池虽有更高的沉积 / 剥离过电位，但能稳定循环更长时间；ASEE - Zn/Cu 电池循环稳定性和库仑效率更高，电压曲线也表明其循环可逆性更好。光学显微镜和扫描电镜表征发现，ASEE 中锌的成核更均匀，阳极表面在多次循环后更光滑平整，且形成了富含阴离子的固体电解质界面（SEI）。在 Zn/I₂和 Zn/NH₄V₄O₁₀（NVO）全电池测试中，ASEE - Zn/I₂电池在 30000 次循环后容量保持率达 79.8%；ASEE - Zn/NVO 电池循环稳定性、倍率性能、低温性能和存储性能均更优，在低 N/P 比（2.5）和高阴极面容量（4.74 mAh cm⁻²）条件下仍能稳定循环 200 次，容量保持率为 88.8%。

研究结论：该研究提出的电解液工程策略，利用具有不对称空间结构的分子，促进了含更多阴离子的锌离子溶剂化结构和富含阴离子的 SEI 形成，平衡了分子迁移能力和屏蔽效应，提升了锌阳极稳定性和水系锌电池循环寿命。相关成果为水系锌电池的理论研究和实际应用提供了新的思路。

图文简介

不对称空间屏蔽效应的设计原理及相应电解质的电化学性质

电极 / 电解质界面处机制的验证与阐释

溶剂化结构的差异

Zn/I₂电池和 Zn/NVO 电池的电化学性能

论文信息

通讯作者： Shunning Li,Yunhui Huang