研究背景

鋅金屬電池以高容量、低成本、環保等特點受到廣泛關注。但由于金屬鋅在傳統水系電解液中熱力學不穩定，鋅金屬電池的實際應用仍面臨挑戰。以腐蝕反應為代表的熱力學不穩定問題主要歸因于溶劑水的質子型特征。當鋅鹽在水系電解液中溶解時，Zn2+水解促進H+的產生。在靜置和循環過程中，H+與活性金屬鋅反應造成其持續損失，并加劇惰性副產物和氫氣的形成。當前由于超厚（過量）金屬鋅的普遍使用，上述問題尚未引起足夠重視。但在超?。ㄓ邢蓿┙饘黉\條件下，以腐蝕反應為代表的熱力學不穩定問題將極大影響鋅金屬電池的電化學性能。

研究簡介

近日，清華大學楊誠團隊通過溶劑設計，論證了無腐蝕超薄鋅金屬電池的可行性。本研究提出的非質子型弱配位電解液通過有效避免H+的產生，保證了超薄金屬鋅在靜置過程中的熱力學穩定；獨特的弱配位溶劑化結構[Zn(DMI)3]2+和[Zn(DMI)4]2+，賦予了超薄金屬鋅在高放電深度下優越的電化學性能。10 μm Zn||10 μm Zn對稱電池在1 mA cm-2穩定循環7220小時；10 μm Zn||10 μm Cu半電池在3 mA cm-2平均庫倫效率達99.94%；10 μm Zn||15.3 mg cm-2 PANI全電池在50 mA g-1穩定循環1700圈，容量保持率82.5%；通過60℃循環和疊片測試，初步驗證了Zn||PANI全電池在高溫和軟包條件下的可行性。結合實驗表征和理論模擬，作者提出水系電解液（相較于非水系電解液）優越的動力學性能可能歸因于液相中更快的物質傳輸，而不是電極/電解液界面更低的脫溶劑化能壘。

該文章以“A Corrosion-Free Zinc Metal Battery with Ultra-Thin Zinc Anode and High Depth of Discharge”為題發表在Energy & Environmental Science上，博士生姚銳為本文的第一作者。

圖文導讀

圖1溶劑化結構表征

（a）紅外光譜；（b）拉曼光譜；（c）1H核磁共振譜；（d）DMI的高分辨質譜；（e）結合能計算；（f）脫溶劑化能測試；（g）靜電電勢分布圖

圖2穩定性測試與表征

（a）揮發性測試；（b）差式掃描量熱測試；（c）接觸角測試；（d）金屬鋅在H2O中浸泡兩周后的掃描電子顯微鏡圖像；（e）金屬鋅在DMI中浸泡兩周后的掃描電子顯微鏡圖像；（f）金屬鋅浸泡兩周后的X射線衍射譜；（g）穩態極化曲線；（h）對稱電池預循環后的電化學阻抗譜；（i）對稱電池靜置兩周后的電化學阻抗譜

圖3 電化學測試與表征

（a）線性掃描伏安曲線；（b）放大后的線性掃描伏安曲線；（c）鋅沉積不同時間的光學圖像（上H2O，下DMI）；（d）H2O的遷移數測試；（e）DMI的遷移數測試

圖4 金屬鋅的測試與表征

（a）對稱電池的恒電流測試；（b）半電池的恒電流循環；（c）半電池的充放電曲線；（d）在H2O中預循環后鋅負極的掃描電子顯微鏡圖像；（e）在DMI中預循環后鋅負極的掃描電子顯微鏡圖像；（f）預循環后鋅負極的X射線衍射譜；（g）對稱電池的性能對比圖

圖5 全電池的電化學測試

（a）全電池的循環伏安測試；（b）全電池的倍率測試；（c）全電池的60℃恒電流循環；（d）全電池的恒電流循環；（e）全電池的充放電曲線；（f）軟包電池的光學照片；（g）軟包電池的恒電流循環；（h）軟包電池的充放電曲線

總結展望

作者通過溶劑設計，論證了無腐蝕超薄鋅金屬電池的可行性。非質子型弱配位電解液通過避免H+的產生賦予了金屬鋅優異的熱力學穩定性；獨特的弱配位溶劑化結構（[Zn(DMI)3]2+和[Zn(DMI)4]2+）賦予了金屬鋅在高放電深度下優越的電化學性能。結合實驗表征和理論模擬，作者提出水系電解液（相比于非水系電解液）優異的動力學性能歸因于液相中更快的物質傳輸，而不是電極/電解質界面更低的脫溶劑化能壘。此外，作者發現避免H+的產生在推動超薄金屬鋅應用的同時，導致常規正極材料（如MnO2、V2O5等）的放電比容量顯著下降，如何平衡H+在鋅金屬電池正負極的“雙刃劍”定位是下一步值得研究的方向之一。

審核編輯：劉清