水系锌离子电池(ZIBs)具有低成本、固有安全性和环境友好等特点,有望满足下一代储能技术需求。另外,锌金属负极具有高的丰度,高理论容量(5855 mAh cm-3)和良好的水兼容性,有望实现商业化。然而,在负极侧锌的不均匀电镀/剥离过程中会发生枝晶生长和析氢反应(HER)(示意图1a),阻碍了水系ZIBs的实际应用。
近日,18新利体育 孙靖宇教授在Angew上发表了题为“Synchronous Dual Electrolyte Additive Sustains Zn Metal Anode with 5600 h Lifespan”的论文,该工作提出了一种双电解质添加剂策略,将木糖醇(XY)与氧化石墨烯(GO)共同添加到硫酸锌电解质中,实现了稳定的锌负极。分子动力学模拟证实,加入的XY分子可以调节Zn2+的溶剂化结构,从而抑制析氢和副反应。自组装氧化石墨烯层有利于促进脱溶剂化过程,加速反应动力学。在协同调控下,可以实现渐进形核和定向沉积,从而实现致密均匀的Zn沉积。因此,在1.0 mA cm−2/1.0 mAh cm−2下,基于双添加剂的对称电池可以稳定循环5600 h。
(1)本工作报告了一种简单的双电解质添加剂策略,即将木糖醇(XY)和氧化石墨烯(GO)共同加入ZnSO4(ZS)电解质中,以获得高度稳定的锌负极(示意图1b)。
(2)丰富的羟基使XY能够调控Zn2+溶剂化结构。同时,氧化石墨烯与Zn之间自发的反应导致还原氧化石墨烯(rGO)层自组装在Zn表面,形成一种原位AIL来引导Zn定向沉积。
(3)添加剂与Zn之间相互作用的增强可以协同促进Zn成核,使其从三维瞬时(3DI)模式向三维渐进(3DP)模式转变。因此,易于获得无枝晶锌沉积。
示意图1、a)循环过程中枝晶的形成和氢气的析出。 b)在XY和GO双添加剂的帮助下,实现平滑沉积。