张景萍/吴兴隆AFM:多功能电解质实现超稳定和高可逆锌阳极

摘要：水系锌离子电池在大规模储能系统中的应用受到析氢反应（HER）的严重限制。虽然传统的pH值调节添加剂可以降低析氢反应（HER）的过电位，但必须同时调节固体电解质界面（SEI）和电双层（EDL）结构的组成，以提高锌金属的利用率。本研究开发了一种多功能pH值控制添加

水系锌离子电池在大规模储能系统中的应用受到析氢反应（HER）的严重限制。虽然传统的pH值调节添加剂可以降低析氢反应（HER）的过电位，但必须同时调节固体电解质界面（SEI）和电双层（EDL）结构的组成，以提高锌金属的利用率。本研究开发了一种多功能pH值控制添加剂--双（2-羟乙基）氨基-三（羟甲基）甲烷（BT）。首先，添加BT后，电解液的pH值升至5.9，处于其有效缓冲区内，同时相对于Ag/AgCl的HER电位降至-1.107 V。其次，含有多个羟基官能团的BT分子优先吸附在锌阳极上，导致EDL中的活性水分子数量减少，从而进一步增强了对HER的抑制作用。第三，BT分子参与溶剂化结构，完成优先还原，通过形成含氮SEI促进Zn2+离子的均匀沉积。最终，对称电池在BT-3电解质中实现了2700 次稳定循环。更重要的是，相应的Zn//MnO2全电池（1 A g-1）在600 次循环后能释放出117.2 mA h g-1的比容量。

图文简介

多功能pH控制电解液与ZSO电解液的对比图

a ) FTIR，b ) Raman，c ) 1H NMR谱图；d ) BT-3电解质中MD模拟和典型Zn2+溶剂化结构的3D快照；e ) H2O的氢键数；f ) RDFs和相应的Zn2+- Owater的ACNs；g ) H2O/BT和Zn2+之间的结合能；h ) BT的ESP图；i ) RDFs和相应的Zn2+-OSO42−的ACNs。

a ) EDLC；b ) H2O和BT在Zn ( 002 )晶面的结合能。c )溶剂分子和e ) SO42-在0 V Zn阳极表面上的密度分布。d ) MD模拟在Zn ( 002 )平面上的EDL在0 V时的3D快照。f ) EQCM在LSV测试中的质量变化。g )电解液在循环过程中的pH值演变。h )通过COMSOL模拟在沉积过程中阳极侧扩散层的pH分布。

a ) Zn//Zn对称电池在1 mAh cm-2和1 mA cm-2下的恒流循环性能；b )倍率性能；c ) 20 mAh cm-2和20 mA cm-2下的恒流循环性能；d ) 2 mAh cm-2和10 mA cm-2下不同循环( 插图 )下的CE图和电镀/剥离图；e ) Tafel和f ) HER曲线；g )恒定电位-250 mV下的CA图；h ) Arrhenius曲线。