湖南大学朱智强/颜子超&湘潭大学刘黎 Angew 观点：“鸡尾酒优化，正负极兼修”——助溶剂-催化剂协同效应助力水系锌硫电池

第一作者：阳敏

通讯作者：颜子超*，刘黎*，朱智强*

单位：湖南大学，湘潭大学

储能技术的发展对解决当前能源和环境危机至关重要。水系锌离子电池因其资源丰富、环保、安全可靠等优点备受关注。然而，目前水系锌离子电池主要依赖于容量较低的嵌入型正极材料，能量密度普遍较低。基于转化反应机制的硫正极具有理论比容量高、成本低廉等优点，正好可以弥补水系锌离子电池能量密度不足的劣势。

因此，水系锌硫电池被认为是一种很有前景的大规模储能技术。但在水相系统中硫阴极的固固转化反应动力学缓慢，且存在不可逆的界面副反应，锌阳极也存在严重的析氢副反应和枝晶生长等问题，严重阻碍了锌硫电池的实际应用。因此，同时提高硫阴极的转化活性和锌阳极的可逆性成为了锌硫电池成功应用的关键。

本论文以三氟甲基磺酸锌为锌盐，四乙二醇二甲醚（G4）和水作为助溶剂，碘作为添加剂，基于助溶剂-催化剂协同效应发展了一种具有普适性的“鸡尾酒优化”电解液策略以针对性的解决水系锌硫电池所面临的问题。

基于此，湖南大学朱智强教授、颜子超助理教授与湘潭大学刘黎教授合作，在国际知名期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为“Boosting Cathode Activity and Anode Stability of Zn-S Batteries in Aqueous Media Through Cosolvent-Catalyst Synergy”的研究论文。

本论文基于助溶剂-催化剂协同效应开发了一种具有普适性的“鸡尾酒优化”电解液。一方面，G4-I₂的协同作用可以激活高效的极性I₃⁻/I⁻催化剂，改善电解液对硫阴极的润湿性，并屏蔽水的进入，从而促进硫的转化动力学，抑制界面副反应。另一方面，在循环过程中由具有氧化性I₃⁻聚阴离子引发的Zn(OTF)₂盐分解可在锌阳极形成有机-无机杂化SEI膜，进而提升金属锌的循环稳定性。

因此，无论是纽扣电池还是软包电池，水系锌硫电池都具有良好的循环稳定性、倍率性能和高容量输出。此外，“鸡尾酒优化”电解液设计策略也可以推广到其他醚类共溶剂（G1和G2），证明了本研究所提出的“鸡尾酒优化，正负极兼修”助溶剂-催化剂协同效应的通用性，为今后设计先进的水系Zn-S电池提供了新的思路。

图1“鸡尾酒优化”电解液助溶剂-催化剂协同效应提升锌硫电池性能示意图

本文选取了四种类型的2M Zn(OTF)₂电解质，分别为2M Zn(OTF)₂/水（Z/W）、2M Zn(OTF)₂/G4/水（Z/G/W）、2M Zn(OTF)₂/I₂/水（Z/I/W）和2M Zn(OTF)₂/G4/I₂/水（Z/G/I/W），以测试Zn-S电池的电化学性能。结果表明“鸡尾酒优化”的电解液（Z/G/I/W）表现出更高的比容量，良好的倍率性能和优异的循环稳定性（在0.5 A g⁻¹下获得1140 mAh g⁻¹的高容量，在4 A g⁻¹下600次循环后容量保持率达到70%）。

要点二：“鸡尾酒优”化电解液对硫阴极的影响

系统地探究了“鸡尾酒优化”电解液对S阴极的积极影响。研究表明 G4分子对于S阴极具有更强的亲和力，有效改善了电解质的润湿性，屏蔽了水与S阴极的直接接触，提升了电极界面的电荷传输。此外，G4的存在可以明显抑制硫转化过程中歧化产物（SO₄²⁻）的生成，避免了容量的快速衰减。

要点三：G4-I₂的协同和催化机理探究

系统探究了G4-I₂的协同和催化机理。研究表明，I₂与G4之间产生了电子供体-受体相互作用，I₂可以被G4的给电子基团（-COC-）还原成I₃⁻聚阴离子，这对于催化硫的固-固转化更加有效，明显降低活化能（15.9 kJ mol⁻¹）。此外，I₃⁻↔I⁻的催化对在水系Zn-S电池中也具有出色的可逆性和催化活性。

要点四：“鸡尾酒优化”电解液对Zn阳极的影响

系统探究了“鸡尾酒优化”电解液对锌阳极稳定的作用机制。研究表明，G4存在的情况下，循环时由I₃⁻聚阴离子引发部分Zn(OTF)₂分解产生有机-无机固体电解质膜（SEI）有效保护Zn阳极，并且引导Zn²⁺的扩散，从而大幅提升锌阳极稳定性（更长的寿命，更高的HER电位，更平坦的锌沉积层）。

Boosting Cathode Activity and Anode Stability of Zn-S Batteries in Aqueous Media Through Cosolvent-Catalyst Synergy

朱智强，湖南大学化学化工学院教授、博士生导师，国家海外高层次青年人才计划入选者。主要研究方向为新型电池材料及电化学储能器件设计。分别于2010年和2015年在南开大学取得学士学位和博士学位，师从陈军院士；2015年8月至2019年12月在新加坡南洋理工大学进行博士后研究，合作导师陈晓东院士。2019年12月入职湖南大学化学化工学院。

迄今为止，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等能源化学领域旗舰期刊共计发表SCI论文42篇，总引用次数5000余次，H因子30。获授权中国专利4件。作为主要完成人，获2016年天津市自然科学一等奖、2020年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖。

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