ROCKET蓄电池丙酮酸钠调控锌溶剂化结构及界面行为以实现长寿命锌离子电池2+Search
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火箭蓄电池 发布时间：2026-05-16 09:32:12 阅读：
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水系锌离子电池（ZIBs）因其高理论容量、丰富的锌资源储备、低成本和优异的本征安全性，被视为大规模储能系统和先进可穿戴电子设备的极具前景候选技术[1][2][3]。该体系不仅具备水系电解质的高离子电导率特性，还整合了锌金属负极的独特优势，如相对较低的氧化还原电位和较高的比容量[4][5][6][7][8]。然而，ZIBs在循环过程中仍面临关键挑战。锌负极表面严重的枝晶生长问题[9][10]。H2电解液中的H2O会提高H+浓度，从而诱发析氢反应(HER)并导致电极表面腐蚀[11]。%%电极/电解液界面的不稳定性会直接引发锌阳极短路与性能显著衰减[12][13]。%%H2O的分解导致H++电解液中的浓度，进而触发析氢反应（HER）与表面腐蚀[14][15]。此外，电极/电解液界面的不稳定性不仅加剧了这些问题，最终还会导致锌阳极界面短路及电池性能的严重衰减[16][17]。这些难题对水系锌离子电池的安全性（氢气爆炸风险）与使用寿命构成了重大挑战。2O leads to the increase in H+ concentration in the electrolyte, which in turn triggers the HER and surface corrosion [14], [15]. Moreover, the instability of the electrode/electrolyte interface not only exacerbates these issues but also ultimately causes short circuits at the zinc anode interface and severe performance degradation of the battery [16], [17]. These issues pose substantial challenges to the safety (risk of hydrogen explosion) and service life of aqueous ZIBs.
为应对这些问题，研究者近期尝试通过锌阳极表面沉积、功能性隔膜开发及电解液改性等策略来提升锌离子电池（ZIBs）的循环寿命。锌阳极表面沉积法可通过原位生成或非原位沉积方式直接在锌阳极上形成功能性固体电解质界面（SEI）层[18]，典型实例包括Cu[19]、Au[20]、CaCO3[21]、ZIF-8[22]、ZrO2[23]、TiO2[24]、聚阴离子水凝胶薄膜[25]以及聚环氧乙烷(PEO)[26]。关于隔膜的研究涉及P/FS-Z[27]、纺织衍生隔膜[28]、HfO2[29]。此外，纳米结构基底的构建方法主要包括：燃烧法制备功能层[30,31]、冷等静压法产生表面微裂纹[32]、三维结构设计[33]、辊压法暴露(002)晶面[34]以及石墨纸基锌阳极[35]。尽管这些先进的改性策略在一定程度上有效抑制了副反应，但其制备工艺复杂，难以实现大规模应用。相比之下，电解液工程是更为简单实用的解决方案。当前关于电解液的研究主要集中在3M Zn(ClO4)2+ 0.3 M Zn(OAc)2[36], 5 M Zn(ClO4)2[37], 乙酰胺 [38], 以及 H2SO4[39]。这些电解质工程策略大多依赖于通过不同化学和界面过程起作用的各类添加剂[40]。例如，某些阴离子或极性小分子添加剂可重新调控Zn2+通过与Zn的竞争性配位2+[41]，从而降低配位水含量并减弱水的分解活性[42][43]。某些带有负电性基团的分子可吸附于锌表面形成富有机物的界面层，抑制析氢反应与腐蚀过程[44][45][46]。另有添加剂通过改变锌电极局域电场分布来实现调控。2+通过静电屏蔽效应实现更稳定的成核行为[47], [48], [49], [50]。尽管这些方法在一定程度上提高了锌阳极的可逆性，但现有添加剂通常存在配位能力有限和界面膜稳定性不足的问题，难以同时调控锌2+离子的迁移、溶剂化结构及界面保护[51], [52]。因此，仅依靠传统添加剂对溶剂化鞘层或界面膜进行简单调控，仍不足以实现对锌的全面控制2+输运、成核及沉积过程[53][54]。
在本研究中，我们提出了一种基于吸附作用的电极/电解质界面修饰策略，以SP作为模型化合物。凭借独特的"羧基-羰基"双功能结构，SP实现了溶剂化调控与界面保护的协同效应（图1）。SP中的羧基和羰基展现出与Zn2+强烈的竞争配位能力，可有效重构Zn2+溶剂化鞘层并置换原本活跃的H2O. 这减少了水源处的水参与，从而抑制析氢反应和副产物形成。重要的是，SP阴离子在锌表面表现出高吸附能，形成致密且稳定的富有机物界面层，该界面层可调节局部电场并实现均匀的锌沉积。2+成核作用。与此同时，SP的界面吸附显著降低了锌表面的活性位点差异，从而有效抑制枝晶的尖端增强效应。此外，该电解液在锌离子电池中展现出优异的电化学性能。组装的对称电池在2 mA cm−2和1 mAh cm−2条件下实现了超过4590小时（超过6个月）的超长循环寿命。值得注意的是，即使在更高的电流密度（10 mA cm−2）和容量（2 mAh cm−2对称电池仍可稳定运行超过1600小时，其循环稳定性显著优于未改性的纯ZnSO4电解液体系。此外，当该改性电解液与I2正极耦合时，组装的Zn||I2全电池同样展现出优异的循环稳定性和耐久性，在10C倍率下循环12,000次后仍保持85.36%的高容量保持率。更重要的是，组装的Zn||I2软包电池可提供安时级容量（1.969 Ah）并具备优异的循环稳定性，100次循环后容量保持率达84.69%。上述电化学结果进一步证实：SP通过"溶剂化结构重构-电极界面稳定"的双重动作机制，同步实现了锌2+溶剂化鞘层优化、电极界面稳定化和锌沉积形貌规整化。本研究为构建高可逆性、高稳定性水系锌离子电池提供了新的设计范式。
