潘锋/宣晋等AFM: 仿生脂质双层负极保护层实现长寿命水系锌金属电池

锌是一种有吸引力的负极材料，因为它的丰度相对较高且成本较低。此外，它的二价性和高密度提供了5854 mAh cm^-3的高理论体积容量。然而，枝晶生长阻碍了可充电水系锌电池的实际应用，特别是在高面积容量和高电流密度下。

在此，受细胞膜磷脂分子在金电极表面自组装的启发，帝国理工学院Huizhi Wang联合北大深圳研究生院潘锋教授、英国拉夫堡大学宣晋教授等人提出了一种新型的两亲电解液，即全氟（2-乙氧基乙烷）磺酸锌（Zn(PES)₂）以解决锌可逆性和面容量之间的权衡问题。

研究表明，这种新型电解液通过原位形成仿生脂质双层负极保护层及包含ZnF₂和有机物质的复合SEI，从而显著提高了Zn负极的可逆性和倍率性能。保护层由全氟化碳链尾部组成的疏水区域和由H₂O和 Zn²⁺组成的亲水区域组成，该层限制了负极与游离水的接触并提供了快速的Zn²⁺传输路径，从而有效抑制枝晶生长同时保持高倍率性能。此外，该电解液还形成了稳定的Zn²⁺-导电氟化SEI，进一步提高了锌的可逆性。

图1. Zn(PES)₂电解液的理化性质

因此，基于该电解液的Zn||Zn对称电池在0.25 mA cm^-2、0.5 mAh cm^-2下无枝晶电镀/剥离超过7000小时，在1 mA cm^-2、2 mAh cm^-2的条件下提供超过1600小时的循环寿命，甚至在更苛刻的2.5 mA cm^-2、5 mAh cm^-2条件下仍持续循环超过380小时，这是迄今为止报道的水系锌电池电解液研究中的最高值。

进一步，这种新型电解液的优势在具有自支撑VS₂@不锈钢（SS）正极的水系锌离子全电池中得到进一步证明，其可逆比容量为 140.5 mAh g^-1。即使在高负载正极材料（7.5 mg cm^-2）条件下，在1.5 mA cm^-2下循环1000次后容量保持率为78%。总之，这项研究通过在高面积容量下实现高循环寿命，使水系可充电锌电池更接近实际应用并为设计下一代水系锌电池的电极-电解液界面开辟了新途径。

图2. 锌离子全电池的电化学性能

Biomimetic Lipid-Bilayer Anode Protection for Long Lifetime Aqueous Zinc-Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202203019

潘锋/宣晋等AFM: 仿生脂质双层负极保护层实现长寿命水系锌金属电池

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