伦敦大学学院何冠杰&华南理工王小慧：微量三重功能添加剂助力可逆水系锌离子电池

Trace Amounts of Triple‑Functional Additives Enable Reversible Aqueous Zinc‑Ion Batteries from a Comprehensive Perspective

Ruwei Chen, Wei Zhang, Quanbo Huang, Chaohong Guan, Wei Zong, Yuhang Dai, Zijuan Du, Zhenyu Zhang, Jianwei Li, Fei Guo, Xuan Gao, Haobo Dong, Jiexin Zhu, Xiaohui Wang*, Guanjie He*

Nano-Micro Letters (2023)15: 81

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01050-4

1. 提出了一种 微量 (1mM)的 三功能添加剂 来保护Zn阳极，从而实现无枝晶的锌负极和高度可逆的锌沉积/剥离行为 。

2. 添加剂能够 降低析氢反应电位 ，促进原位固体电解质界面的形成和屏蔽“尖端效应 。

HER反应和ZHS生成都深受电解质pH值的影响(图1a)。微量添加剂的引入能一定程度增加电解质的pH，一方面能够一定程度上降低析氢电位，抑制HER反应(图1b)。另一方面促进ZHS的生成，在锌负极表面形成一层均匀的SEI(图1c, f)。XRD图谱中明显的ZHS特征峰和交流阻抗中高频区新增的半圆证明了ZHS基SEI的形成(图1d-e)。通过理论计算，锌离子在ZHS基的SEI中具有低的扩散能垒，从而能够阻隔水分子与锌负极直接接触的同时传导锌离子(图1g-h)。此外，添加剂中的NH₄⁺能够对锌负极具有最低的吸附能，能够优先吸附到锌负极表面，形成阳离子的静电屏蔽层，均匀电场和屏蔽尖端效应(图1i)。

I I 添加剂对锌沉积行为的影响

图2. 添加剂对锌沉积的影响：(a)线性极化曲线；(b)锌负极在BE电解质中循环后的XRD图谱；(c)锌负极在DE电解质中循环后的XRD图谱；(d-e)锌负极在DE电解质中循环后的电镜图；(f-g)锌负极在BE电解质中循环后的电镜图；(h-i)显微镜原位观察锌在BE和DE中的沉积行为；(j-k)锌负极在BE和DE中循环后的AFM图。

图3. 半电池的电化学性能：(a)Zn//Cu电池在DE和BE中的库伦效率；(b)Zn//Zn电池在DE中的倍率性能；(c-e)Zn//Zn电池在DE和BE中的循环性能。

I V Zn-MnO₂全电池的电化学性能

图4. Zn-MnO₂全电池的电化学性能：(a)循环伏安曲线对比；(b)倍率性能对比；(c)相应的电压-容量曲线；(d-e)不同电流密度下的循环稳定性对比。