【科技】南開大學陳軍院士&嚴振華&曾令興AM：動態調控電子與鋅離子均勻分佈以實現安時級軟包電池鋅均勻氧化還原

水系鋅離子電池（AZIB）技術具有明顯的環境效益，包括環保的電解液、豐富的原材料儲量和易於回收。鑑於鋅金屬的高理論比容量（820 mAh g-1）、高安全性和優異的導電性，其被認為是具有大規模前景的AZIB負極。然而，電場和鋅離子（Zn2+）的不均勻分佈以及串擾效應都會導致鋅的不可逆氧化還原，最終加速各種鋅金屬儲能器件的失效，特別是Ah級別軟包電池。

針對以上問題，南開大學的陳軍院士和嚴振華副研究員、福建師範大學曾令興教授聯合研究，報道了一種動態調節電子和Zn2+離子以實現鋅均勻氧化還原的策略，其中設計了一系列具有不同電子離域空間的添加劑分子來驗證這種動態調節機制。由於分子內電子離域空間較大且具有離域π鍵和‒COOH官能團，肉桂酸（CA）分子在鋅負極表面形成了一個穩定的分子層。該層可以有效地防止副反應，並通過驅動電子在共軛原子和官能團之間流動來動態調節負極表面的電子和Zn2+離子的排列，最終在鋅氧化還原過程中均勻了電場和Zn2+離子反應位點的分佈。得益於這種動態調節，Ah級別的Zn//I2軟包電池在2 mA cm-2下表現出1.473 Ah（188.7 Wh kg-1）的高容量和出色的倍率性能。這種動態調節也在Ah級別的鋅錳軟包電池和鋅溴電池中具有良好的兼容性。這項工作加深了同行對高可逆性Ah級別AZIB調控機制的理解。

圖1. 鋅負極上電子和鋅離子的動態調節示意圖。

圖2. （a）不同分子的LUMO和HOMO能級；（b）各種分子在Zn（002）晶面上的吸附能；（c）不同電解液的電容-電位曲線；（d）使用ZS、ZS-CA、ZS-AA和ZS-PA電解液的對稱電池的DRT結果；（e）添加劑分子的ESP和偶極矩；（f）對稱電池的循環性能；（g）具有不同吸附分子的鋅金屬的功函數。

-2的電流密度下循環第10次剝離和第10次沉積后的鋅負極的SEM結果；（b）ZS電解液中對稱電池的GITT結果；（c）ZS-CA電解液中對稱電池的GITT結果；（d）在ZS和ZS-CA電解液中剝離/沉積期間，以4mA cm-2的電流密度下對鋅負極表面上的Zn2+離子濃度進行有限元模擬；（e）在ZS和ZS-CA電解質中剝離/沉積時，在4mA cm-2的電流密度下，鋅負極表面的電場的有限元模擬。通過掃描電化學顯微鏡（SECM）對（f）ZS和（g）ZS-CA電解液中鋅負極表面循環進行區域掃描，觀察反饋電流的變化；（h）ZS和ZS-CA電解液內響應電流變化的差異；（i）ZS和（j）ZS-CA電解質中Zn//Ti半電池的沉積/剝離曲線和庫侖效率。

圖4. 在（a）0.3M ZS和（b）0.3M ZS-CA電解液中，鋅負極表面循環的SECM區域掃描反饋電流的變化；（c）0.3M ZS和0.3M ZS-CA電解液中的LSV曲線；（d）鋅電極在0.3M ZS和0.3M ZS-CA電解液中的塔菲爾曲線；（e）在0.3M ZS-CA電解液內，循環后的鋅電極的XPS刻蝕光譜；（f）鋅對稱電池在0.3M ZS和0.3M ZS-CA電解液中的原位光學顯微鏡圖像；（g）使用0.3M ZS和0.3M ZS-CA電解液的對稱電池的倍率性能；（h）使用0.3M ZS-CA電解液的對稱電池在2@1下的恆流充放電性能；（i）KOH和KOH-CA電解液中鋅電極的塔菲爾曲線；（j）使用KOH和KOH-CA鹼性電解液的對稱電池在1@0.5下的循環性能。

2全電池的倍率性能；（b）ZS-CA電解液中Zn//I2電池在不同電流密度下的充放電曲線；（c）ZS-CA電解液中Zn//I2電池在不同掃描速率下的CV曲線；（d）ZS-CA電解液中Zn//I2電池在20 A g−1下的長循環性能和庫侖效率；（e）ZS-CA電解液中Zn//I2軟包電池的長循環性能；（f）Zn//I2軟包電池的充放電曲線；（g）在含有0.2 M MnSO4的ZS-CA電解液中，鋅粉//MnO2全電池在5 A g−1下的循環性能；（h）在含有0.2 M MnSO4的ZS-CA電解液中，Zn//MnO2軟包電池的恆流充電和放電性能；（i）Zn//MnO2軟包電池為智能手機充電的數碼照片。

【論文信息】

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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