【科技】南开大学陈军院士&严振华&曾令兴AM：动态调控电子与锌离子均匀分布以实现安时级软包电池锌均匀氧化还原

水系锌离子电池（AZIB）技术具有明显的环境效益，包括环保的电解液、丰富的原材料储量和易于回收。鉴于锌金属的高理论比容量（820 mAh g-1）、高安全性和优异的导电性，其被认为是具有大规模前景的AZIB负极。然而，电场和锌离子（Zn2+）的不均匀分布以及串扰效应都会导致锌的不可逆氧化还原，最终加速各种锌金属储能器件的失效，特别是Ah级别软包电池。

针对以上问题，南开大学的陈军院士和严振华副研究员、福建师范大学曾令兴教授联合研究，报道了一种动态调节电子和Zn2+离子以实现锌均匀氧化还原的策略，其中设计了一系列具有不同电子离域空间的添加剂分子来验证这种动态调节机制。由于分子内电子离域空间较大且具有离域π键和‒COOH官能团，肉桂酸（CA）分子在锌负极表面形成了一个稳定的分子层。该层可以有效地防止副反应，并通过驱动电子在共轭原子和官能团之间流动来动态调节负极表面的电子和Zn2+离子的排列，最终在锌氧化还原过程中均匀了电场和Zn2+离子反应位点的分布。得益于这种动态调节，Ah级别的Zn//I2软包电池在2 mA cm-2下表现出1.473 Ah（188.7 Wh kg-1）的高容量和出色的倍率性能。这种动态调节也在Ah级别的锌锰软包电池和锌溴电池中具有良好的兼容性。这项工作加深了同行对高可逆性Ah级别AZIB调控机制的理解。

图1. 锌负极上电子和锌离子的动态调节示意图。

图2. （a）不同分子的LUMO和HOMO能级；（b）各种分子在Zn（002）晶面上的吸附能；（c）不同电解液的电容-电位曲线；（d）使用ZS、ZS-CA、ZS-AA和ZS-PA电解液的对称电池的DRT结果；（e）添加剂分子的ESP和偶极矩；（f）对称电池的循环性能；（g）具有不同吸附分子的锌金属的功函数。

-2的电流密度下循环第10次剥离和第10次沉积后的锌负极的SEM结果；（b）ZS电解液中对称电池的GITT结果；（c）ZS-CA电解液中对称电池的GITT结果；（d）在ZS和ZS-CA电解液中剥离/沉积期间，以4mA cm-2的电流密度下对锌负极表面上的Zn2+离子浓度进行有限元模拟；（e）在ZS和ZS-CA电解质中剥离/沉积时，在4mA cm-2的电流密度下，锌负极表面的电场的有限元模拟。通过扫描电化学显微镜（SECM）对（f）ZS和（g）ZS-CA电解液中锌负极表面循环进行区域扫描，观察反馈电流的变化；（h）ZS和ZS-CA电解液内响应电流变化的差异；（i）ZS和（j）ZS-CA电解质中Zn//Ti半电池的沉积/剥离曲线和库仑效率。

图4. 在（a）0.3M ZS和（b）0.3M ZS-CA电解液中，锌负极表面循环的SECM区域扫描反馈电流的变化；（c）0.3M ZS和0.3M ZS-CA电解液中的LSV曲线；（d）锌电极在0.3M ZS和0.3M ZS-CA电解液中的塔菲尔曲线；（e）在0.3M ZS-CA电解液内，循环后的锌电极的XPS刻蚀光谱；（f）锌对称电池在0.3M ZS和0.3M ZS-CA电解液中的原位光学显微镜图像；（g）使用0.3M ZS和0.3M ZS-CA电解液的对称电池的倍率性能；（h）使用0.3M ZS-CA电解液的对称电池在2@1下的恒流充放电性能；（i）KOH和KOH-CA电解液中锌电极的塔菲尔曲线；（j）使用KOH和KOH-CA碱性电解液的对称电池在1@0.5下的循环性能。

2全电池的倍率性能；（b）ZS-CA电解液中Zn//I2电池在不同电流密度下的充放电曲线；（c）ZS-CA电解液中Zn//I2电池在不同扫描速率下的CV曲线；（d）ZS-CA电解液中Zn//I2电池在20 A g−1下的长循环性能和库仑效率；（e）ZS-CA电解液中Zn//I2软包电池的长循环性能；（f）Zn//I2软包电池的充放电曲线；（g）在含有0.2 M MnSO4的ZS-CA电解液中，锌粉//MnO2全电池在5 A g−1下的循环性能；（h）在含有0.2 M MnSO4的ZS-CA电解液中，Zn//MnO2软包电池的恒流充电和放电性能；（i）Zn//MnO2软包电池为智能手机充电的数码照片。

【论文信息】

Dynamic Regulation for the Well-distribution of Electrons and Zn2+ Ions Achieving Uniform Zn Redox in Ah-Scale Pouch Cells, Chuyuan Lin, Lingxing Zeng*, Minghui Liu, Fuyu Xiao, Hui Lin, Lihui Chen, Yong Lu, Qingrong Qian, Qinghua Chen, Kai Zhang, Zhenhua Yan*, and Jun Chen*, Advanced Materials, 2025, 15, 2511484.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202511484

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