AEM: 通过柠檬酸 - 阿斯巴甜电解质添加剂增强水系锌离子电池中锌的沉积并抑制锌枝晶生长

文章总结

尽管水系锌离子电池（AZIBs）具有成本低、安全性高和环境友好等优势，但仍面临诸如锌枝晶形成、严重副反应以及电解质不稳定等挑战。许多有效的添加剂在水中的溶解度有限，从而降低了其实际应用潜力。在本研究中，提出了一种通过引入柠檬酸（CA）来促进阿斯巴甜（APM）溶解的增溶策略，以制备硫酸锌电解质。模拟和实验表明，CA 既能调节锌离子（Zn²⁺）的溶剂化结构，又能调节电解质的 pH 值，而 APM 优先融入双电层，与 CA 一起形成固体电解质界面，从而抑制析氢和副反应。因此，锌 - 锌对称电池在 1.0 毫安每平方厘米（mA cm⁻²）/1.0 毫安时每平方厘米（mAh cm⁻²）的条件下，使用寿命延长至超过 4500 小时。结果，采用这种电解质以及商用锌箔和二氧化锰的水系锌离子电池展现出增强的倍率性能，并且在 2000 次循环后容量保持率提高到 75.6%。本研究提出了一种稳定锌阳极的新策略，并为解决水系锌离子电池中的基本挑战提供了一个全面的框架，推动了其在下一代储能系统中的实际应用。

图文简介

显示锌阳极在硫酸锌（ZSO）电解质以及硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质中状态的示意图

a) 不同电解质的电导率和 pH 值；b) 不同电解质的傅里叶变换红外光谱（FTIR）、c) 拉曼光谱以及 d) 核磁共振氢谱（1H NMR）；e) 通过分子动力学（MD）模拟得到的不同电解质的三维快照以及硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质中的典型溶剂化结构；f) 从硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质的分子动力学模拟中收集得到的锌离子（Zn²⁺）与阿斯巴甜中的氧原子（O (APM)）以及锌离子（Zn²⁺）与柠檬酸中的氧原子（O (CA)）之间的径向分布函数（RDFs）和配位数（CN）；g) 阿斯巴甜（APM）和柠檬酸（CA）分子的静电势（ESP）图；h) 不同电解质与锌的接触角。

a) 不同电解质中对称电池的奈奎斯特图；b) 水（H₂O）、阿斯巴甜（APM）和柠檬酸（CA）的最低未占据分子轨道（LUMO）、最高占据分子轨道（HOMO）的等值面图；c) 对锌（002）晶面上双电层进行分子动力学（MD）模拟得到的三维快照；d) 溶剂分子相对于距锌阳极的距离的密度分布曲线；e) 水（H₂O）和阿斯巴甜（APM）在锌（002）晶面上的吸附能；f) 使用不同电解质的锌 - 铜半电池的非法拉第电容 - 电位曲线；g) 不同电解质的电容电流随扫描速率变化的曲线；h) 锌箔在硫酸锌（ZSO）和硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质中浸泡后的 X 射线光电子能谱（XPS）；i) 说明锌阳极上沉积过程的示意图。

a) 在 10 毫安每平方厘米（mA cm⁻²）的电流密度下循环时，锌 - 锌对称电池中硫酸锌（ZSO）电解质，以及 b) 硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质的原位 pH 监测。c) 锌离子（Zn²⁺）与水（H₂O）、锌离子（Zn²⁺）与柠檬酸（CA）、水（H₂O）与水（H₂O）、水（H₂O）与柠檬酸（CA）、柠檬酸（CA）与阿斯巴甜（APM）之间的结合能。d) 锌 - 锌对称电池的阿伦尼乌斯曲线以及活化能的比较。e) 锌箔在硫酸锌（ZSO）和硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质中浸泡后的 X 射线衍射（XRD）图谱。f) 使用不同电解质在三电极体系中测得的塔菲尔曲线。g) 使用不同电解质在三电极体系中的析氢极化曲线。

a) 使用硫酸锌（ZSO）和硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）电解质的锌 - 二氧化锰（Zn─MnO₂）全电池的循环稳定性曲线，b) 循环伏安（CV）曲线，c) 倍率性能，以及 d)、e) 去卷积电阻分布图（DRT）曲线。f)、g) 锌 - 二氧化锰（Zn─MnO₂）全电池的存储性能。h) 一张使用硫酸锌 + 柠檬酸 + 阿斯巴甜（ZSO+CA+APM）作为电解质来点亮一块电子手表的软包电池的照片。

通讯作者： Jianhui Qiu, Chao Yang, Limin Zang, Lin Zeng

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