张培新教授、马定涛研究员， ACS Energy Letters：痕量添加剂介导的疏水结构编辑，助力水系锌电池实现全气候运行

图 1. PAA 改性水性电解质的密度泛函理论计算。(a) 具有不同配体数量的丙烯酸离子调节的 Zn²⁺溶剂化结构。(b) H2O 和丙烯酸离子的范德华表面上的静电势，(c) 原始和优化的丙烯酸单体离子配位 Zn²⁺溶剂化结构。(d) HOMO 和 LUMO 能级以及 (e) 原始结构和 (f) 优化的丙烯酸单体离子配位 Zn²⁺溶剂化结构的 DOS。

图2. (a) PAA分子结构和(b)疏水化学吸附层原位自组装示意图。(c) H2O、丙烯酸分子和Zn原子在Zn(002)晶面上的吸收能；插图显示相应的吸收模型。(d) 不同PAA含量的3M Zn(OTf)2电解质中锌负极表面的双电层电容。(e) H2O 和 (f) 丙烯酸在 Zn (002) 面上的 3D 电荷密度差（黄色和花青半透明簇分别代表电子密度的增加和减少）。(g) H2O 和丙烯酸的 HOMO 和 LUMO 能级。浸泡在不含/含有 PAA 添加剂的水性电解质中的锌箔表面的 (h) Zn 2p、(i) C 1s 和 (j) O 1s 的 XPS 谱。

图 3. 在 10 mA cm⁻²下对 (a) 纯锌和 (b) PAA-1 修饰的锌负极的锌沉积进行原位光学显微镜观察。(c) 裸锌电极和 PAA-1 修饰的锌电极在固定过电势为 -150 mV 时的 CA 曲线；插图显示不同电解质中 Zn²⁺的扩散模式。(d) 裸露 Zn 电极和 (e) PAA-1 修饰 Zn 电极在 0.5 mA cm⁻²和 0.5 mAh cm⁻²下循环 20 次后的激光共焦扫描显微镜图像。(f) 裸锌电极和 PAA-1 修饰的锌电极的塔菲尔曲线。(g) 原位 DEMS 剖面显示裸露锌负极和 PAA-1 修饰的 Zn 对称电池的氢气释放。(h) XRD 图显示在裸露锌负极和 PAA-1 修饰的锌负极表面形成副产物。(i) 裸锌和 (j) PAA-1 修饰的锌基对称电池在 0.5 mA cm⁻²和 0.5 mAh cm⁻²条件下的原位电化学阻抗谱。

图4 疏水效应对电解质环境和锌负极-电解液界面的综合调控机制示意图

图 5. 宽温度范围内的镀锌/剥离行为测试。(a) 5 mA cm⁻²、25 °C 条件下的长期循环性能。(b) 本工作与其他先前报告之间的累积能力比较。分别在(c) 2 mA cm⁻²和-25 °C 条件下和(d) 0.5 mA cm⁻²和60 °C 条件下进行循环稳定性测试。在−25−60 °C 的温度范围内，在不含 PAA 添加剂的水性电解质（e−g）和含有 PAA 添加剂的（h−j）中循环后，锌负极的相应 FESEM 图像。(k) 在极端温度条件下，在不含和含有 PAA 添加剂的水性电解质中工作后，锌负极-电解液界面演变的示意图。

图6. Zn/ZnV₂O₄全电池在宽温度范围内的电化学性能测试。(a) 25℃、5 A g⁻¹电流密度下的循环性能测试以及(b) 25℃倍率性能的比较。(c) -25 °C 下 1 A g⁻¹和 (d) 60 °C 下 5 A g⁻¹循环性能测试的比较。(e,f) 正极在 60 °C 下浸泡在无添加剂电解质和 PAA-1 中 3 天前后的光学照片。以及浸泡在 (g) PAA-1 和 (h) 无添加剂电解质中的阴极的相应 FESEM 图像。(i) 反阴极溶解效应示意图。

要点一：低成本、可回收、可生物降解的两性聚合物聚丙烯酸（PAA）为研究对象，作为多功能电解液添加剂，用于水性锌金属电池疏水结构编辑。