陈卫华教授、鲁兵安教授，Nano Research 观点：构建富ZnF2/ZnS界面用于激活水系锌离子电池可逆性

第一作者：盖军民

通讯作者：陈卫华*，鲁兵安*

单位：郑州大学，湖南大学，南开大学

水系锌离子电池具有价格低廉、环境友好、安全不燃等优点，有望成为大规模储能用电池体系。然而，锌阳极在水系锌离子电池中使用时，面临着库仑效率低、枝晶生长和副反应等棘手问题，造成锌阳极严重的不可逆性，这阻碍和限制了锌离子电池进一步的实际应用进程。通过电解液改性来调控锌阳极界面和锌离子沉积是提高水系锌离子电池可逆性简单有效的方法。

基于此，郑州大学陈卫华教授和湖南大学鲁兵安教授在Nano Research上发表了题为 “Tailored ZnF₂/ZnS-rich interphase for reversible aqueous Zn batteries”的文章。

通过将1-乙基-3-甲基咪唑盐引入Zn(CF₃SO₃)₂ 或ZnSO₄电解液中，在锌阳极界面局域碱性环境中加速C-F键断裂形成富含ZnF₂/ZnS界面层，削弱活化能垒，提高Zn²⁺迁移数到0.72，且1-乙基-3-甲基咪唑离子优先吸附在锌阳极表面，限制了枝晶的生长。1-乙基-3-甲基咪唑离子的双功能作用提高了水系锌离子电池的可逆性，即使在贫阳极 (N/P=1.73)、贫电解液和高负载量（6 mAh cm^-2）的情况下仍能维持电池运作数百周，对锌离子电池开发具有重要作用。

图1. 锌阳极界面不稳定机理，以及通过1-乙基-3-甲基咪唑离子构建富含ZnF₂/ZnS界面的示意图。

图2 不同电解质间相形成及动力学和电化学性能的影响。

通过组装对称电池计算不同浓度电解液中界面活性能和锌离子转移数，对电解液进行优化配置。在测试的电解液中，添加0.5 m 1-乙基-3-甲基咪唑盐的 2 m Zn(CF₃SO₃)₂的活化能和锌离子转移数最佳。并对优化后的电解液进行了锌低利用率的电化学性能表征。

要点二：恶劣条件下进一步评估水系电池的可逆性和电化学性能

图3 恶劣条件下锌金属电池的电化学性能。

图4 高负载、低N/P条件下有机正极和钒氧化物全电池电化学性能。

金属电池的商业化目标是≥5mAh cm^-2、电流密度为10mA cm^-2、阳极每个循环的利用率≥80%。以此为目标，进一步评估优化后电解液的实际应用价值。

要点三：ZnF₂/ZnS界面层组分及形成机理分析

图5 通过XPS, SEM和冷冻电镜分析了界面层的成分及纳米结构。

图5 第一性原理计算了界面层的反应机理及路径。

利用XPS, SEM、冷冻电镜及第一性原理计算，分析了界面层的组分、纳米结构以及形成路径。

要点四：阳离子诱导富ZnF₂/ZnS界面层的在其他锌盐水系电解液中的普适性

图6 1-乙基-3-甲基咪唑盐作为添加剂在ZnSO₄电解液中的界面分析及电化学性质。

当前1-乙基-3-甲基咪唑盐添加剂在其他锌盐水系电解液体系中仍可构建高品质的界面层用于提高锌离子电池的可逆性。

Tailored ZnF₂/ZnS-rich interphase for reversible aqueous Zn batteries

陈卫华教授简介：团队主要围绕资源丰富的钠离子电池、高能量密度电池、电池智能监测，以及光伏储能系统研究。课题组长期诚聘相关研究领域的青年才俊加入，

有意者请将个人简历材料发至chenweih@zzu.edu.cn。

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郑州大学盖军民直聘研究员，2021年博士毕业于湖南大学，从事新型电池体系关键材料的开发和储能机理研究。以第一作者或通讯作者在Nature Sustainability、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Journal of Energy Chemistry等国际知名期刊发表SCI学术论文10余篇，SCI引用1174次。

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