酰胺分子诱导的去溶剂化锌离子提升锌离子电池性能

研究简介

锌离子电池(ZIB)具有理论容量高、成本低、环境友好等特点，在大规模储能领域具有广阔的应用前景。然而，水合Zn2+脱溶剂过程缓慢，导致Zn2+离子流不稳定，进而阻碍了Zn的均匀沉积。此外，脱溶剂过程中活性水合物的释放会加剧析氢反应。本文通过优化水合Zn2+的脱溶剂过程，引入亲锌亲电的酰胺作为Zn2+离子流的稳定剂。酰胺分子通过酰基配位位点进入Zn2+的溶剂化结构，降低了脱溶剂能垒，从而促进了Zn的均匀沉积.此外,亲电氨基通过捕获活性水合物有效抑制了析氢反应.结果显示,添加硫代乙酰胺的对称电池在1mA/1mAhcm−2电流密度下表现出2000h的优异寿命。即使电流密度增加到5mAcm−2，电池也能保持1000小时的稳定循环。这项研究为ZIB中Zn枝晶不可逆生长的关键因素提供了新的视角，为电解质添加剂的开发提供了宝贵的见解

图文导读

图1.a)静电势分布；b)ACA、TAA、UE和BA的LUMO和HOMO能级。c)对照电解质和d)TAA电解质的MD模拟快照。e)TAA电解质的径向分布函数及其相应的积分配位数。f)对照电解质和g)TAA电解质的锌电极的COMSOL模拟。

图2. a)NMR和b)不同浓度TAA电解液的FT-IR。c)对照组和TAA电解液的LSV曲线。d)不同温度下对照组和TAA电解液中Zn||Zn对称电池的Arrhenius曲线。在e)对照组和f)TAA电解液中浸泡14天的锌箔的SEM图。g)在不同电解液中浸泡14天的锌箔的XRD图。

图3.a)1mAcm−2和1mAhcm−2时不同电解液中Zn||Zn对称电池的循环稳定性。b)1mAcm−2和1mAhcm−2时不同浓度TAA电解液中Zn||Zn对称电池的循环稳定性。c)Zn||Zn对称电池的倍率性能，d)Zn||Ti电池的CE，e)Zn成核过电位，f)Zn||Ti电池的CV曲线，以及g)对照和TAA电解液中Zn||Zn对称电池的CA曲线。

图4. a)2mAcm−2下Zn沉积过程中Zn电极/电解液界面的光学照片。b)在不同电解液中以5mAcm−2和5mAhcm−2循环50次后Zn箔的SEM图和c)XRD。d)Zn||Zn对称电池的EIS。e)TAA 电解液中形成的SEI的TEM。f)TAA电解液中50次循环后Zn负极的TOF-SIMS结果。g)对照和TAA电解液中Zn2+溶剂化结构和界面副反应示意图。

图5.a)CV和b)恒电流充放电曲线，c)倍率性能和CE，d、e)对照组和TAA电解液中Zn||MnO2全电池的循环性能。f)对照组和g)TAA电解液中Zn||MnO2全电池在1Ag−1下的自放电曲线。h)对照组和TAA电解液中Zn||MnO2全电池的性能比较。

研究结论

本研究中酰胺类添加剂通过降低水合Zn2+离子脱溶的能垒并从溶剂化结构中捕获游离的水分子,从而稳定Zn2+离子在ZIBs负极表面的流动。模拟和实验结果表明,分子量较大且硫取代的酰胺类化合物具有较强的亲锌和亲电性质，有助于Zn的均匀沉积并抑制副反应。与其他酰胺类添加剂相比,TAA添加剂在稳定负极表面Zn2+离子流动方面具有更优异的效果，从而抑制了枝晶生长并促进了均匀的三维Zn沉积。此外，TAA添加剂促进了稳定的无机-有机杂化SEI膜的原位形成，有效降低了析氢反应(HER)和锌腐蚀。得益于这些优势，添加TAA添加剂的对称电池在1mA和1mAhcm−2的电流密度下表现出超过2000小时的优异循环稳定性。此外，该电池在5mAcm−2的高电流密度下寿命可达1000小时。这项工作为无枝晶和长循环ZIBs电解液添加剂的设计提供了一种新方法。