研究提出锌金属电池双相电解液策略

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近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员王二东团队在水系锌金属电池电解液研究方面取得新进展。团队提出了双相电解液策略，有效抑制了锌金属负极的枝晶生长和析氢反应，实现了锌金属电池的长寿命运行。相关成果发表在《美国化学会能源快报》上。

电池电解液是介于电池正极和负极之间的媒介物质，被喻为电池的“血液”，是电池的关键“部件”，它的性质直接决定了电池的性能。水系锌金属电池具有高安全性、低成本、环境友好以及较高的能量密度和功率密度等优势，被认为是一种具有应用前景的大规模储能技术。然而，锌负极的不均匀沉积和在水系电解液中的热力学不稳定性，导致了枝晶和析氢问题，因此限制了水系锌金属电池的循环寿命。

锌金属电池双相电解液。大连化物所供图

针对上述问题，团队在前期工作中构建了人工固态电解质界面间相，调控锌负极表面均匀的Zn²⁺通量，并促进Zn脱溶剂化，实现了高稳定性的锌负极。随后，团队又通过盐析效应设计了一种双相电解液体系。该体系的负极侧电解液富含有机溶剂，而正极侧电解液以水溶液为主。此外，团队探究了双相电解液的制备过程和规律，提出电解液各组分的选择标准。

研究发现，富有机相电解液不仅降低水含量28vt.%，还改变了Zn²⁺的溶剂化结构，此外，原位形成了均匀的ZnOHF固态电解质界面间相。这种协同作用有助于抑制水引发的腐蚀反应和枝晶生长，从而实现较高的平均库仑效率和较长的循环寿命。在正极侧，水相电解质保持了32mS/cm的离子传导率，并且残留的NMP分子改变了电极/电解质的界面特性，从而加速了氧化还原动力学。采用双相电解质组装的Zn//PANI（聚苯胺）全电池在倍率、循环和贮存性能方面均优于传统ZnSO₄电解液基电池。

该双相电解质工程策略为设计实用化锌金属电池的电解液提供了新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01423