江西科技师范大学&瑞典林雪平大学：离液阴离子助力水系电解质实现MXene的高效储锌

第一作者：张丽萍

通讯作者：秦磊强*，卢宝阳*，蒋剑霞*

单位：中国南昌江西科技师范大学，瑞典林雪平大学

随着对低成本、安全且耐用的储能设备需求的不断增长，水系电解质因其安全性和环境友好性成为研究热点。在众多储能技术中，锌离子混合超级电容器（ZHSCs）凭借其高理论容量、安全性、低成本以及与水系电解质的良好兼容性脱颖而出。

在锌离子储能器件中，电解质作为阴极与阳极之间的离子传输介质，对器件性能起着至关重要的作用。目前，硫酸锌（ZnSO₄）水溶液是最常用的水系锌离子电解质之一，其中[Zn(H₂O)₆]²⁺ 溶剂化结构通过强水合作用稳定存在。然而，强的 Zn²⁺-H₂O 相互作用在锌沉积过程中容易诱发水分解，导致ZHSCs 的工作电压受限（通常低于 1 V），严重影响器件的性能。此外，在窄电压窗口的水系电解质体系中，MXene 的能量密度难以突破 100 Wh kg^-1，进而限制了其整体能量输出，阻碍其实际应用。因此，优化电解质体系对于拓宽 MXene 基水系 ZHSCs 的电压窗口并提升器件整体性能至关重要。

江西科技师范大学蒋剑霞、卢宝阳以及瑞典林雪平大学秦磊强等人提出了一种创新性的低浓度电解质设计策略，通过引入离阴离子作为添加剂，实现了MXene在水系电解质中电压窗口的拓宽，并通过抑制自由水活性和优化锌离子嵌入动力学，提升了MXene的锌离子储存性能。该方法为改善水系电解质中 MXene 基材料的锌离子存储性能提供了通用方案，为开发高功率、高能量密度、环保型 MXene 基电化学储能器件提供了新的研究思路。该成果以题为 “Dilute Electrolyte with Chaotropic Anion Addition for Enhanced Zn-Ion Storage Performance in MXenes”发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上。

在典型的 ZnSO₄水溶液电解质中，Zn²⁺ 离子与水分子形成稳定的水合络合物，主要以 [Zn(H₂O)₆]²⁺  形式存在。这种强烈的 Zn²⁺-H₂O 相互作用在锌沉积过程中易引发副反应，如水分解和不可逆的阴极溶解，严重影响储能器件的循环寿命。研究通过在 ZnSO₄电解液中引入离液阴离子 ClO₄^-，有效削弱了Zn²⁺的溶剂化结构。利用 ClO₄^- 的疏水性，有效实现了水溶液中氢键网络的重构，降低了 Zn²⁺ 的溶剂化自由能，进而优化了电解质-电极界面的溶剂化/脱溶剂化过程。这种调控机制不仅提升了 Zn²⁺的扩散动力学，还促进了电极界面上Zn²⁺的均匀成核与沉积，有效抑制枝晶生长，从而实现 Zn 阳极的长期稳定性。

与纯 ZnSO₄电解质相比，ClO₄^-的引入有效拓宽了MXene电极的电位窗口。在最优电解质中，Zn//Mo₂ScC₂Tz AZHSC在2 mV s^-1的扫描速率下表现出最大 CV 积分面积，并在 0.2 A g^-1 下实现了 692.3 F g^-1 的高比电容。在2 A g^-1电流密度下，经过 10000 次循环后，电池仍保持约 100% 的库仑效率和 82.5% 的初始容量。ClO₄^-的加入有效提高了混合电解质的离子电导率和电化学稳定窗口（ESW），加速了反应动力学，进一步提升了电极材料的电化学活性和稳定性。

通过对电容贡献分析可知，Zn//Mo₂ScC₂Tz ZHSC 在优化的0.005-1 M 电解液中的 CV曲线显示出明显的氧化还原峰，表明Zn²⁺离子的逐步嵌入和脱出，体现出优异的赝电容特性。并且随着扫描速率增加，电容贡献逐渐增加，表面电容成为主导。与此同时，EQCM 测试结果显示了Zn²⁺ 在 Mo₂ScC₂Tz 电极中的可逆嵌入与脱出，表明材料具有优异的稳定性。

进一步探讨了Mo₂ScC₂Tz MXene在最优的0.005–1 M电解质中的储能机制，证明了在含有 ClO₄^- 的电解质中Zn²⁺ 实现了在 MXene 电极材料的高度可逆性嵌脱作用。且Mo 的多价特性也使其在充放电过程中能够进行快速的氧化还原反应，提升了电极的比容量。

通过以 Mo₂ScC₂Tz 作为负极，MnO2-CNT 作为正极，构建了一种无锌金属的 ZHSC 体系，并在所设计的电解质环境中实现了高达 1.8 V 的工作电压，表现出更快的锌离子传输动力学及优异的循环稳定性。

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蒋剑霞简介：江西科技师范大学副教授，硕导，入选江西省赣鄱俊才支持计划--主要学科学术和技术带头人（青年人才项目），2019-2021年瑞典linkoping university访问学者。主要从事二维纳米材料（主要为MXene）在能量存储领域的应用研究。主持多项国家及省级纵向科研项目。以第一或通讯作者在Advanced Science ，Energy Environ. Mater.，Nano research, J. Mater. Chem. A, Batteries & Supercaps等国际期刊发表多篇MXene储能相关SCI论文。

卢宝阳简介：教授、硕导，江西科技师范大学柔性电子创新研究院常务副院长、柔性电子江西省重点实验室主任。主要致力于导电聚合物水凝胶材料设计、加工制造及应用开发。以第一或通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文160余篇，引用9000余次，授权中国、美国发明专利20余项。主持国家自然科学基金等项目20余项，获江西省自然科学奖一等奖1项、二等奖1项；获全国优秀教师等荣誉称号。