大連化物所在水系鋅金屬電池電解液研究方面取得新進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員王二東團隊在水系鋅金屬電池電解液研究方面取得新進展。團隊提出了雙相電解液策略，有效抑制了鋅金屬負極的枝晶生長和析氫反應，實現了鋅金屬電池的長壽命運行。相關成果發表在《美國化學會能源快報》上。

電池電解液是介于電池正極和負極之間的媒介物質，被喻為電池的“血液”，是電池的關鍵“部件”，它的性質直接決定了電池的性能。水系鋅金屬電池具有高安全性、低成本、環境友好以及較高的能量密度和功率密度等優勢，被認為是一種具有應用前景的大規模儲能技術。然而，鋅負極的不均勻沉積和在水系電解液中的熱力學不穩定性，導致了枝晶和析氫問題，因此限制了水系鋅金屬電池的循環壽命。

鋅金屬電池雙相電解液。大連化物所供圖

針對上述問題，團隊在前期工作中構建了人工固態電解質界面間相，調控鋅負極表面均勻的Zn2+通量，并促進Zn脫溶劑化，實現了高穩定性的鋅負極。隨后，團隊又通過鹽析效應設計了一種雙相電解液體系。該體系的負極側電解液富含有機溶劑，而正極側電解液以水溶液為主。此外，團隊探究了雙相電解液的制備過程和規律，提出電解液各組分的選擇標準。

研究發現，富有機相電解液不僅降低水含量28vt.%，還改變了Zn2+的溶劑化結構，此外，原位形成了均勻的ZnOHF固態電解質界面間相。這種協同作用有助于抑制水引發的腐蝕反應和枝晶生長，從而實現較高的平均庫侖效率和較長的循環壽命。在正極側，水相電解質保持了32mS/cm的離子傳導率，并且殘留的NMP分子改變了電極/電解質的界面特性，從而加速了氧化還原動力學。采用雙相電解質組裝的Zn//PANI（聚苯胺）全電池在倍率、循環和貯存性能方面均優于傳統ZnSO4電解液基電池。

該雙相電解質工程策略為設計實用化鋅金屬電池的電解液提供了新思路。