亲水性和亲锌性共掺两性离子添加剂用于高性能锌金属电池

研究简介

尽管锌金属电池(ZMB)因其低成本、环保和良好的Zn2+/Zn氧化还原电位而具有巨大的潜力，但低Zn利用率和寄生反应等挑战阻碍了其性能提升。这些问题源于锌负极的热力学不稳定性以及较高的脱溶能垒。为了克服这些挑战，本研究考察了两种具有亲水和亲锌功能基团的两性离子化合物BES(N,N-双(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸)和MES(2-(N-吗啉代)乙磺酸)，并选择BES作为最佳电解液添加剂。BES的两性离子效应促进了Zn2+的解离，降低了浓差极化，并增强了Zn2+的动力学，从而形成动态双电层(EDL)，引导Zn的均匀沉积。结果表明，采用BES的Zn||Zn对称电池在1mAcm–2和2mAhcm–2的电流密度下，可稳定运行超过3300小时，且无枝晶沉积/剥离现象。在高电流密度(5mAcm–2)和高面积容量(10mAhcm–2)下，可稳定运行超过450小时。Zn||ZnVO全电池在2Ag–1的电流密度下可循环超过2700次，容量保持率为88%。Zn||I2全电池在10Ag–1的电流密度下可稳定循环超过30,000次，且容量衰减几乎不受影响，这凸显了BES性能的显著提升

图文导读

图1.(a)BES和MES添加剂以及ZnSO4/BES中纯H2O的设计和作用示意图。(b)1HNMR、(c)FT-IR和(d)ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中各种HB的拉曼结果。(e)在Na2SO4、Na2SO4/MES和Na2SO4/BES电解液中获得的HER极化曲线。(f)在ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中获得的Tafel图和(g)ECN曲线。

图2.(a)BES和MES分子的ESP映射。(b)Zn2+与H2O、MES和BES的结合能。(c)ZnSO4/BES和(d)ZnSO4/MES中MD模拟的3D快照和相应的Zn2+溶剂化结构放大快照。(e)ZnSO4/BES电解液中Zn2+–O(H2O)的RDF和相应的CN。(f)ZnSO4/BES电解液中Zn2+–O(BES)的RDF和相应的CN。(g)ZnSO4/MES电解液中Zn2+–O(H2O)的RDF和相应的CN。(h)ZnSO4/MES电解液中Zn2+–O(MES)的RDF和相应的CN。

图3.(a)Zn||Zn对称电池在ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中在1mAcm–2和2mAhcm–2下的循环性能。(b)Zn||Zn对称电池在ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中在2mAhcm–2时电流密度从1到5mAcm–2变化时的倍率性能。(c)Zn||Zn循环性能与已报道作品的比较。(d)Zn||Zn对称电池在ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中在5mAcm–2和10mAhcm–2下的循环性能。(e)ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液的CA测试曲线。(f)不对称Zn||Cu电池中Zn电镀/剥离行为的CE。(g)ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解质中Zn||Cu不对称电池的CV曲线

图4.(a)H2O、MES和BES与Zn(002)平面的吸附能。(b)ZnSO4和ZnSO4/BES在Zn箔上的接触角测试。(c)在ZnSO4/BES中以1mAcm–2和2mAhcm–2循环10次后Zn的SEM和(d)LSCM图。(e)使用ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES作为添加剂在1mAcm–2和2mAhcm–2循环10次后的XRD。(f)使用ZnSO4/BES作为添加剂在1mAcm–2和2mAhcm–2循环10次后的XPS结果。

图5.(a)Zn||ZnVO全电池在ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中的CV曲线。(b)Zn||ZnVO全电池在ZnSO4、ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中的倍率性能。(c)Zn||ZnVO全电池在ZnSO4/BES中以2Ag–1的电流密度循环第1次和第100次循环的GCD曲线。(d)Zn||ZnVO全电池在ZnSO4/MES和ZnSO4/BES电解液中以2Ag–1(8mAcm–2)的电流密度循环性能。(e)Zn||I2全电池在ZnSO4和ZnSO4/BES电解液中以10Ag–1的电流密度循环性能。(f)Zn||I2循环性能与文献报道的比较。

研究结论

本研究对两种结构相似的两性离子添加剂BES和MES进行了系统研究，最终确定BES是实现锌负极稳定可逆改性的最佳选择。与之前以疏水官能团为特征的两性离子添加剂不同，BES的特点是其亲水和亲锌官能团，可有效调节氢键网络，减少析氢反应（HER）副反应。BES还能修饰双电层（EDL），增强对Zn2+离子的捕获，促进其在(002)面上平稳沉积。BES自发形成的两性离子效应增强了Zn2+和硫酸根离子的解离，改善了传质动力学，从而降低了极化，使锌电池能够以更高的电压运行。此外，BES还能改变溶剂化结构，进一步抑制副反应。得益于这些有利效应，BES增强对称电池表现出优异的循环稳定性，在1mAcm-2和2mAhcm-2下可维持超过3300小时的稳定运行。即使在5mAcm-2和10mAhcm-2的严苛条件下，这些电池也能实现超过450小时的稳定循环。此外，Zn||ZnVO全电池表现出优异的循环稳定性，在2Ag-1的电流密度下循环超过2700次，同时保持88%的容量。当组装成Zn||I2全电池时，它们在10Ag-1的超高电流密度下循环超过30,000次，而性能没有任何下降。总之，这项工作不仅为探索多功能添加剂提供了一种新方法，而且还提出了一种双重调节电解质和界面以提高电池性能的有效策略.