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绿色环保且创造23m高浓度电解液新纪录！港中文卢怡君教授今日Nature Sustainability！

时间：2023-07-05 来源：浏览：

绿色环保且创造23m高浓度电解液新纪录！港中文卢怡君教授今日Nature Sustainability！

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收录于合集

第一作者：Dejian Dong

通讯作者：卢怡君教授

通讯单位：香港中文大学

【研究背景】

非水系锂离子电池具有高能量密度，并且一直是便携式电子产品和电动汽车的主要电源。然而，在锂离子电池中使用易燃/有毒有机电解质是对可持续性的关键挑战。水性锌（Zn）金属电池因其低成本和高安全性而成为锂电池的更可持续的替代品，此外锌金属提供高重量和容积容量，低电极电位。不幸的是，由于不受控制的枝晶和严重的副反应，特别是析氢反应（HER），导致Zn负极循环效率差，限制了可充电锌电池的实际应用。方法之一是将水系电解液与包括聚环氧乙烷（PEO）在内的有机材料混合，但在水系电解液中杂化易燃非水溶剂会损害水系锌电池的安全性。

为了规避上述挑战，已经报道了几种方法，包括通过添加剂形成固体-电解质界面，还提出了不易燃的高浓度电解质作为通过增加Zn转移数和降低水反应性来增强Zn可逆性的新兴方法。不幸的是，除了氯化锌、其他常见的锌盐不能满足高溶解度要求，如醋酸锌低溶解度（1.6 m）限制了在富锌高浓度电解质中的实际应用。打破醋酸锌的溶解度限制是低成本和环保的富锌高浓度电解液的先决条件。

【成果简介】

在此，香港中文大学卢怡君教授展示了一种使用醋酸锌的高浓度水系电解液配方，醋酸锌是一种水溶性差但便宜且环保的盐。结果显示，亲水剂能够将乙酸盐阴离子配体转化为亲水配位结构，从而实现了前所未有溶解度（高达23 m）。

同时，由亲水增溶剂实现的高浓度醋酸锌电解质可抑制副反应（HER）并提高Zn负极可逆性，而不会牺牲Zn离子的浓度，成本和环保性。醋酸钾、尿素、乙酰胺三种亲水剂都能够增加Zn(Ac) ₂ 的溶解度到10 m、10 m 和 8 m。所有这些都能使高浓缩的醋酸锌电解质形成，使组装的Zn// 芘-4,5,9,10-四酮（PTO）全电池在10C下进行4000次循环后保持其70%的初始容量。

相关研究成果以“ Hydrotropic solubilization of zinc acetates for sustainable aqueous battery electrolytes ”为题发表在 Nature Sustainability 上。

【核心内容】

促水增溶效应是制药领域的普遍现象，其中通过形成可溶性复合物/双盐/与亲水增溶剂的缔合，可以明显提高水溶性差的药物分子的溶解度。例如，当加入碘（I ^- ）离子时，非极性（与水弱相互作用）碘（I ₂ ）在水中的溶解度增加~500倍，因为I ⁻ 和I ₂ 形成分子间可溶性复合物三碘（I ₃ ^- ）（与水强相互作用）。另一个例子是诺氟沙星在亲水增溶剂（例如苯甲酸钠）的帮助下实现~9.56倍的水溶性增强。

在传统的过饱和Zn(Ac) ₂ 溶液中，醋酸盐（CH ₃ COO ^- ）倾向于与Zn2 ⁺ 形成双齿配体，离开疏水的-CH ₃ 壳，然后形成水化沉积物Zn(Ac) ₂ ·2H ₂ O.因此，双齿醋酸酯的疏水性阻止了Zn(Ac) ₂ 的进一步解离。作者认为亲水增溶剂的选择标准包括：（1）与Zn ²⁺ -醋酸盐相比，至少有一个配位位点与Zn ²⁺ 具有相等或更强的相互作用，以确保醋酸盐的一个配位位点的释放；（2）其他配位点应具有亲水性，以确保药剂的高水溶性，首先选择四类具有多齿配位点的材料作为亲水增溶剂，包括碱性阳离子金属醋酸酯、尿素、乙酰胺和烟酰胺，Zn(Ac) ₂ 的溶解度成功从3增加到23 m，有望构建低成本和环保的高浓度电解液。

图1. Zn ²⁺ 的溶剂化-鞘层结构。

图2. 富锌高浓缩电解液的优点。

图3. 水结构和抑制析氢反应。

图4. 高Zn ²⁺ /Zn可逆性和均匀的锌金属沉积/剥离。

图5. Zn对称电池和Zn//PTO全电池性能。

【结论展望】

综上所述，本文通过亲水增溶开发了一类高浓度醋酸锌电解液，打破了Zn(Ac) ₂ 的溶解极限，使其从1.6m增长到23m。同时，使用全面的电解液表征，包括核磁共振、FTIR、拉曼和MD模拟研究了将疏水性双齿配位转变为亲水单齿配位的亲水增溶效应，包括乙酸钾、尿素和乙酰胺在内的所有三种亲水剂都成功地制备看高浓度的醋酸锌电解液，Zn对称电池可在0.5 mA cm ^-2 下稳定循环超过1200小时，且Zn//PTO全电池在10 C下循环超过4000次环，实现了70%容量的容量保持率。本文的研究也提供了一种合理和通用的方法，以打破可持续和高性能电池应用中具有成本效益和环保的盐的溶解度限制。

【文献信息】

Dejian Dong, Tairan Wang, Yue Sun, Jun Fan, Yi-Chun Lu*, Hydrotropic solubilization of zinc acetates for sustainable aqueous battery electrolytes , 2023, Nature Sustainability.

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01172-y