广工大李成超教授、唐永超副教授，AEM：重塑溶剂化势垒实现快动力学的自上而下锌剥离/沉积

重塑溶剂化势垒实现快动力学的自上而下锌剥离/沉积

第一作者：冯振锋

通讯作者：李成超*，唐永超*

单位：广东工业大学

锌剥离/沉积动力学与锌负极/电解质界面的（脱）溶剂化行为密切相关。与水系电解质相比，Zn²⁺与有机分子配位的（脱）溶剂化能是与水分子配位的三倍。如此高的（脱）溶剂化能极大地阻碍了锌负极/电解质的界面电荷转移。此外，尽管很少提及，锌负极在有机电解质中的界面钝化现象是普遍存在的。这些问题导致了缓慢的锌剥离/沉积动力学。因此，降低（脱）溶剂化势能是同时解决这些问题的关键。另外，在传统的富含Zn²⁺的电解质中，锌剥离/沉积通常可基于电解液中的Zn²⁺进行；而在原始无Zn²⁺的电解质中，锌剥离/沉积是典型的“自上而下”的过程。这种行为对电池的性能有不同的影响。因此，解析“自上而下”锌剥离/沉积的溶剂化重组过程，有助于为电池的重新设计提供新的见解，但目前仍缺乏相关研究。

近日，来自广东工业大学的李成超教授和唐永超副教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Solvation Barrier Remodeling-Dictated Fast-Kinetics Top–Down Zn Stripping/Plating in Water-Lean Organic Electrolytes”的研究论文。该工作提出了一种螯合诱导的溶剂化势垒重塑策略，以在原始无Zn²⁺的贫水有机电解质(WLOE)中实现快速动力学“自上而下”的锌剥离/沉积，实现长寿命的锌电池。

图1. 原位剥离Zn²⁺的（脱）溶剂化过程示意图：（a）常规电解液；（b）螯合剂介导的贫水有机电解液。

要点一：不同电解液中Zn²⁺的溶剂化势垒

通过光谱表征和拟合的过电位-溶剂化重组能（λ）系统研究了溶剂化层的结构变化对Zn²⁺传输的影响。结果表明在螯合剂介导的电解质中Zn²⁺发生了λ降低的过程。

要点二：螯合介导的电解质显著影响锌剥离/沉积动力学

电化学表征与界面形貌表征证实了螯合介导的电解质增强了锌剥离/沉积动力学，调节了Zn²⁺沉积形貌。

要点三：长寿命和高倍率的锌负极

得益于螯合剂的引入，Zn||Zn电池的过电位降低了三倍，循环寿命延长了170倍(在0.5 mA cm⁻²下循环超过1700小时)。

要点四：高电压杂化电池

组装的Zn||LiFePO₄杂化全电池显示出1.50 V明显的放电平台与0.14 V的低极化电压，远超过无螯合剂介导的电解液。

Solvation Barrier Remodeling-Dictated Fast-Kinetics Top–Down Zn Stripping/Plating in Water-Lean Organic Electrolytes

https://doi.org/10.1002/aenm.202401706

李成超教授简介：广东工业大学教授，博士生导师，先后入选教育部青年长江学者，青年珠江学者，广东省珠江人才青年拔尖人才计划，东莞钜大特种储能研究院核心成员。主要从事高性能电化学储能材料与器件研究。发展出了高安全、长寿命水系电池储能技术，基于晶相调控技术，插层化学调控技术提升电极离子迁移率，以及准均相碳复合合成技术实现分子水平碳与电极材料准均相复合，显著提升电极电子传导，实现50C超高倍率(分钟级)充放电。迄今，以第一作者/通讯作者身份在《JACS》、《Advanced Materials》、《Energy & Environmental Science》、《Angew》、等国际权威期刊上发表SCI论文150余篇，H因子65，SCI论文总他引次数9700余次，授权发明专利8项。主持了4项自然科学基金与2项省部级项目。

唐永超副教授简介：广东工业大学青年百人计划副教授，硕士生导师。大连理工大学博士，澳大利亚CSIRO联培博士，中科院物理所博后。长期从事新型高安全、高能量密度多价金属离子电池研究。迄今在Angew. Chem., Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，Nano Lett.等国际知名期刊上发表学术论文70篇（含合作），总被引3 000余次。申请发明专利7项，授权3项。主持国家自然科学基金2项及省部级项目3项。

冯振锋，广东工业大学2022级在读硕士研究生。目前主要研究方向为高性能水系多价离子电池。

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