ChCl-葡萄糖水合共晶电解液用于长循环和宽温度锌离子电池

研究简介

水分子在水系电解液中的高活性会导致有害的副反应和锌枝晶的生长，严重限制了锌离子电池（ZIB）的实际应用。本文设计了一种生物相容性的水合共晶电解液，旨在从根本上限制水的活性并重建Zn2+溶剂化结构。氯化胆碱（ChCl）和葡萄糖中的Ch+阳离子结合到Zn2+的主要溶剂化鞘层中，取代了配位水分子，并将配位数从6降低到3.2。这种独特的溶剂化结构，加上被限制在坚固的ChCl-葡萄糖共晶氢键网络中的水分子，有效地抑制了析氢反应（HER）、腐蚀和枝晶的形成。因此，Zn//Zn对称电池在1mAcm−2下实现了2000小时的优异循环稳定性。此外，Zn//PANI全电池在3Ag−1电流密度下循环2000次后仍保持82.6%的容量保持率，并在10Ag−1电流密度下达到8303.29Wkg−1的惊人功率密度。至关重要的是，共晶网络的低玻璃化转变温度使其能够在超宽温度范围内（-20至50°C）稳定运行，克服了传统水系ZIB的主要局限性。这项工作展示了一种通过水合共晶电解质进行水限制和溶剂化工程的有效策略，可用于实现实用、高性能且耐高温的ZIB。

图文导读

图1.a)ChCl和葡萄糖的化学结构。b)ChCl、葡萄糖和所形成的CG低共熔溶剂的数码照片。c)CG低共熔溶剂的DSC曲线。d)OHglucose-Cl−ChCl和OHglucose-OHChCl的结合能比较。e)CGx溶剂的FTIR和f)拉曼光谱。g)CG和CGx溶剂的LSV曲线。h)CGx溶剂的离子电导率。i)CGx溶剂的离子电导率和电化学窗口比较。j)通过DFT计算CG10水合低共熔溶剂中H2O与ChCl、葡萄糖和H2O的结合能。

图2.a)AQ-ZSO电解液和b)CG10-ZSO电解液中的MD模拟快照和RDF。c)通过DFT计算获得的Zn2+-ChCl、Zn2+-葡萄糖和Zn2+-H2O的结合能。d)AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液的阿伦尼乌斯图和Ea。e)本研究与先前报道的水合共晶电解液的离子电导率比较。f)1HNMR光谱和g)两种电解液的LSV曲线。

图3.a)在1mAcm−2和0.5mAhcm−2下AQ-ZSO和CG10-ZSO 电解液中Zn//Zn对称电池的循环性能。b)100次循环后不同电解液中Zn负极的SEM图。c)在0.5mAhcm−2下AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液中对称电池的倍率性能。d)使用AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液的Zn-Cu电池的库仑效率比较。e)不同电解液中初始Zn2+成核过电位。f)−150mV电位下的CA曲线，插图描绘了Zn2+的2D和3D扩散示意图。

图4.a）在5mAcm−2下AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液中Zn沉积的原位光学显微镜观察。b）在5mAcm−2下AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液中Zn沉积时间不同的Zn箔表面的SEM图。

图5.a)采用AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液的Zn//PANI全电池的倍率容量。b)3Ag-1和c)10Ag-1时，采用AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液的Zn//PANI电池的循环性能。d)采用AQ-ZSO电解液和e)CG10-ZSO电解液的Zn//PANI电池的自放电曲线。f)软包电池的循环性能。

图6.a)Zn//Zn对称电池、b)Zn-Cu半电池和c)Zn//PANI全电池在−20°C下的性能，其中采用CG10-ZSO电解液。d)Zn//Zn对称电池、e)Zn-Cu半电池和f)Zn//PANI全电池在50°C下的性能，其中采用AQ-ZSO和CG10-ZSO电解液。

研究结论

开发了一种水合共晶电解液 (CG10-ZSO)，以解决ZIB中与水活性和锌负极不稳定性相关的挑战。通过计算和光谱分析相结合，证明水分子被有效地限制在由ChCl和葡萄糖形成的坚固氢键网络中，从而形成由ChCl-葡萄糖-H2O组成的三元共晶网络。Zn2+离子在水合共晶电解液中迁移到电极表面，在那里它们极易成核，从而促进了Zn的均匀沉积并抑制了枝晶的形成。Zn//Zn对称电池在1mAcm−2下表现出令人印象深刻的2400小时循环寿命。Zn//PANI全电池在3Ag−1电流密度下循环2000次后容量保持率为82.6%，在10Ag−1电流密度下功率密度高达8303.29Wkg−1。此外，采用CG10-ZSO电解液组装的软包电池在3000次循环后容量仍可达80.8mAhg−1，证明了其实用可行性。值得注意的是，CG10-ZSO电解液的低玻璃化转变温度使其能在较宽的温度范围内(−20至50°C)稳定运行，克服了传统水系电解液的一个主要局限性。这项工作不仅解决了ZIB开发中的关键技术障碍，而且为水合共晶电解液在下一代储能系统中的更广泛应用奠定了坚实的基础，特别是在可再生能源整合方面。