西北工业大学，JMCA：引入季铵阳离子构建高稳定可深度放电充电的水系锌电池- 大数跨境

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西北工业大学，JMCA：引入季铵阳离子构建高稳定可深度放电充电的水系锌电池

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2025-07-30

导读：西北工业大学，JMCA：引入季铵阳离子构建高稳定可深度放电充电的水系锌电池

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文章信息

引入季铵阳离子构建高稳定可深度放电充电的水系锌电池

第一作者：张睿哲

通讯作者：樊慧庆*

单位：西北工业大学

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研究背景

水性锌离子电池因其安全性、高理论能量密度和环境友好性而成为锂离子电池的最具潜力替代品。然而，一些关键挑战——例如活性水分子引起的析氢反应（HER）和腐蚀，以及高局部电场引起的不均匀的锌沉积和枝晶的猖獗生长——严重阻碍了它们的实际应用。在高放电深度（DoD）条件下，由于沉积剥离的锌离子占比更多，这些问题变得更加严重。大量的研究工作通过构建新型负极以及涂层来解决问题，但是高成本和复杂工艺使这样的优化方式难以落地。因此，如何通过低成本和简单的工艺优化水系锌电在深度放电下的性能，仍是亟须解决的难题之一。

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文章简介

近日，来自西北工业大学樊慧庆教授团队的研究生张睿哲，在国际知名期刊JMCA上发表题为“Constructing highly reversible zinc batteries under high depth of discharge & current density conditions via quaternary ammonium cations modulating electric field force and competitive solvation”的研究论文。在这项研究中，引入了一种季铵盐四氟硼酸甲基铵（TMA-BF）作为电解质添加剂。理论计算与实验表征相结合表明，TMA进入到双电层（EDL），中和了锌沉积物的高密度负电荷，调节了EDL内的局部电场力，进一步促进均匀的Zn²⁺沉积，并通过静电屏蔽抑制枝晶生长。此外，TMA⁺与水分子之间具有极强亲和力，通过与锌离子竞争水分子来改变氢键网络结构，有效减少活性水分子的量。因此，修饰的锌离子电池（ZIB）表现出高可逆性：Zn‖Zn 对称电池在2 mA cm⁻²下实现超过4000小时的稳定循环，在20 mA cm⁻²大电流下可工作超过1400小时。值得注意的是，即使在深度放电条件下（DoD为 75% 和 85%），稳定循环也能分别保持超过700小时和400小时，优于大多数报道的电解质添加剂策略。此外，Zn‖MnO₂全电池在8000次循环后仍能保留其92%的容量，而Zn‖Br₂全电池在1200次循环后还保留了84%的容量。最后，组装好的软包电池也表现了出色的性能，凸显了该方法的实用前景。

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图文导读

图1. 四甲基铵阳离子（TMA）调节电场力和竞争性溶剂化以优化水性锌离子电池的机制示意图：（a）BE电解质和（b）添加TMA⁺电解质。

图2 不同电解质的接触角测试：（a）2 M硫酸锌（BE）和（b）添加TMA-BF;（c）不同分子在（101）晶面上的吸附能模拟;（d）浸入混合电解质和纯TMA-BF粉末中的锌片的XPS分析;（e）对浸入混合电解质和纯TMA-BF粉末中的锌片进行ATR-FTIR分析;（f）不同电解质浓度的zeta电位测试;（g）不同分子之间的结合能测试;（h）不同电解质浓度的FTIR分析;（i）1不同电解质浓度的 1H NMR 分析。加入TMA-BF后，电解液分子动力学模拟：（j1）模拟后的分子状态;（j2）配位数函数。BE电解质分子动力学模拟：模拟后的（k1）分子状态和（k2）配位数函数。

图3 （a）塔菲尔曲线;（b）LSV曲线;加入TMA-BF电解质后：（c1）Zn‖Zn对称透明大电池，3 mA cm⁻²；（c2）Zn阳极SEM；（c3）产氢率；（c4）Zn阳极XRD;BE电解质：（d1）Zn‖Zn对称透明大电池，3 mA cm⁻²；（d2）锌阳极SEM；（d3）产氢率；（d4）锌阳极XRD;（e） CV曲线;（f） CA曲线;（g）Zn²⁺迁移率;（h）活化能;（i）Zn（H₂O)₆²⁺在两种电解质中；Zn‖Zn电池的EIS：（j）添加TMA-BF电解质和（k）BE电解质后。

图4 添加TMA-BF电解质后：（a1）锌沉积过程的原位光学显微镜观察;（a2）循环后的AFM图像; BE电解质：（b1）锌沉积过程的原位光学显微镜观察和（b2）循环后的AFM图像;（c）电场的COMSOL仿真结果;（d）浓度场的COMSOL仿真结果;（e1）不同循环时间下Zn阳极的XRD图谱;（e2）TMA⁺在不同晶面上的吸附能模拟。

图5 不同电解质Zn‖Zn对称电池的电化学特性：（a）2 mA cm^-2的循环性能; 深度放电条件下的循环性能：（b）DoD：75%和（c）DoD：85%;（d）倍率性能和（e）20 mA cm⁻²循环性能;（f）Zn‖Cu半电池的库仑效率; 不同电解质中的GCD曲线：（g）TMA-BF改性电解质和（h）BE。

图6 不同电解质Zn‖MnO₂全电池的电化学性能：（a）CV曲线;（b）EIS阻抗;（c）倍率性能;（d）TMA-BF电解质中的GCD曲线;（e）BE电解质中的GCD曲线;（f）自放电曲线;（g）1 A g^-1时的循环稳定性;（h）采用TMA-BF电解质Zn‖MnO₂软包电池的循环稳定性;（i和j）由软包电池供电LED显示的照片。

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文章链接

Constructing highly reversible zinc batteries under high depth of discharge & current density conditions via quaternary ammonium cations modulating electric field force and competitive solvation

https://doi.org/10.1039/D5TA04368A

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通讯作者简介

樊慧庆：毕业于西安交通大学，获理学学士、工学硕士和博士学位，现为西北工业大学教授、博导，专长功能材料与器件。主持国家重点研发计划等科研项目30余项，发表SCI学术论文630余篇，被引用26600余次，授权国家发明专利48项，出版《电子信息材料》、《功能介质理论基础》、《固体化学》和《材料物理》，培养毕业博士、硕士研究生120余位、出站博士后9人，均已任重点高校院所教授、副教授或企业经理、技术骨干等（其中教授10余人、3位入选国家级青年人才）。他先后入选了教育部“优秀青年教师”、“新世纪优秀人才”和陕西省“优秀留学回国人员”、“中青年创新领军人才”，获省部级科技荣誉奖励16项，现任国际期刊Materials Science and Engineering B、Nanomaterials、Scientific Reports、International Journal of Applied Ceramic Technology等Editor或Associate Editor，国内期刊《电子元件与材料》编委，中国物理学会终身会员、材料研究学会高级会员、光学学会光电技术专委会委员、电子学会高级会员及气湿敏专委会委员、仪器功能材料学会电子元器件关键材料与技术专委会副主任等。