先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学） Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

研究背景

可充水系锌电池因其材料丰富、成本低、安全性高，锌金属负极氧化还原电位低，理论容量高等优势，在可再生能源大规模电化学储能系统领域很有前景。然而，锌金属负极存在枝晶生长和界面副反应。在锌沉积过程中，不均匀的Zn2+在尖端聚集，导致沉积不均匀，形成枝晶，进而导致内部短路。界面副反应，包括析氢反应和表面钝化，会导致库仑效率低，锌利用率低。因此，解决锌金属负极的枝晶生长和腐蚀问题对可充水系锌电池的实际应用具有重要意义。

文章简介

基于此，南开大学的陈军教授以典型的1M硫酸锌电解液为研究对象，通过加入4M 1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EMImCl）设计一种不含水的阴离子型Zn2+溶剂化结构—ZnCl42−，并利用分子动力学和X射线吸收光谱验证电解液中的结构演化。此新型电解液在锌金属负极和无锌负极电池上具有优异电化学性能。

传统硫酸锌电解液中，Zn2+的存在形式为Zn(H2O)62+。由于阳离子强的极化能力使得溶剂化结构中的水更容易被还原，从而引发析氢反应。Cl−与Zn2+具有较强的配位作用，因而添加Cl−能将溶剂化结构中原有的结合水取代，形成无水的阴离子型溶剂化结构—ZnCl42−。在加入Cl−的同时，引入EMIm+大阳离子可避免形成新的结合水。通过分子动力学模拟和X射线吸收光谱可证明Zn(H2O)62+的消失和ZnCl42−的出现。

在Zn||Cu电池中测试电解液的库伦效率发现，新型电解液具有高达98.4%的首圈库伦效率及99.9%的平均库伦效率。与预锌化后的聚苯胺电池匹配成无锌负极全电池后，循环300圈仍有78.8%的容量保持率，远优于使用传统硫酸锌电解液的电池。最终，该电解液在锌金属负极和无锌负极电池应用中表现出高的可逆性和良好的循环稳定性。该工作为解决锌金属负极的固有问题提供了一种新策略。