傅佳骏、陈涛教授课题组关于锌离子电池电解液添加剂研究的重要突破

fox1992

我院傅佳骏、陈涛教授课题组在水系锌电领域取得关键进展，该工作受持续释放策略的启发，使用NaErF4@NaYF4纳米颗粒作为耐用水系锌电池的电解质添加剂得到了一种胶体电解质。与一次性电解质策略不同，NaErF4@NaYF4纳米颗粒可以在缓释原理下工作，从而延长了添加剂的有效持续时间。通过NaErF4@NaYF4纳米颗粒释放出的功能金属离子优先吸附在锌负极表面凸起周围，形成静电屏蔽层，抑制锌枝晶的生长。同时，释放出的氟离子可以参与富ZnF2界面层的形成，从而稳定Zn/电解质界面。光谱分析和理论计算表明NaErF4@NaYF4添加剂也可以通过削弱Zn2+−H2O配位来调节Zn2+的溶剂化结构。这种上转换纳米晶体的缓释效应将毫无疑问地应用于电解质添加剂的探索，并为高性能耐用水性锌电池的开发提供指导。其相关成果在国际期刊《ACS NANO》上发表。南京理工大学为第一通讯单位。该研究受到了国家自然科学基金、基础中央高校科研基金等项目的支持。

        成果简述：水系锌离子电池由于其环境友好、成本低廉以及体积容量大（5855 mAh cm-3）等优点，近年来在电网储能领域引起了极大的关注，但是其性能严重受锌枝晶和析氢副反应的影响。到目前为止，人们已经投入了大量的努力来解决锌负极存在的问题，如构建人工界面层和引入电解液添加剂。人工固体电解质界面(SEI)的构建由于电解质与Zn电极之间的充分钝化，在缓解界面副反应和抑制枝晶生长方面具有明显的优势，但是其会不可避免地增大界面电荷转移阻抗并且涂层有脱落或开裂的风险。相对来说，电解液添加剂便不存在上述的问题，人们提出了多种方法，如高浓度“盐中水”电解质、深共晶电解质、分子拥挤电解质和功能添加剂来削弱水的反应性。探索功能电解质添加剂是在不牺牲能量密度的情况下实现高可逆Zn沉积的最可行、最有效的策略。目前已有几种电解质添加剂用于提高锌金属阳极的稳定性。第一类添加剂主要是为了均匀Zn2+的沉积。水溶液电解质能够调节Zn2+的溶剂化结构，稳定水分子的氢键网络。然而，大多数在单一功能下工作的一次性添加剂可能会不断分解，导致大量电解质消耗，导致电池循环寿命衰减。因此，迫切需要探索一种方法，可以保证功能物种的可持续补给，以持续稳定提高锌负极的稳定性。针对上述问题，本团队探索了一种胶体电解质策略，使用NaErF4@NaYF4纳米颗粒作为耐用水性锌电池的电解质添加剂。上转换纳米颗粒电解液添加剂的持续释放效应，通过静电屏蔽和氟化界面相的协同操作，持续稳定锌金属阳极。与通常报道的添加剂不同，NaErF4@NaYF4纳米颗粒可以将功能金属和氟离子长期释放到电解质中，这不仅可以通过静电屏蔽作用抑制锌枝晶的生长，还可以在镀锌/剥离循环过程中形成稳定的富含ZnF2的SEI层。理论计算、分子动力学模拟和光谱分析证明NaErF4@NaYF4可以通过与Zn2+不可忽略的界面相互作用改变原生溶剂化环境。利用这些优点，改性电解质可以使Zn||Zn对称电池在3 mA cm−2下稳定循环2100 h，在8 mA cm−2下Zn||Ti电池的平均CE高达99.54%。此外，组装的Zn||MnO2全电池可以在循环1600次后，仍拥有高达58.3%的容量保持率。这些特殊的性质使NaErF4@NaYF4纳米晶体成为锌金属负极的有效电解质添加剂。我们相信这一工作将为胶体电解质添加剂的探索提供一个视角，并对高能量密度锌基水系电池的发展应用起到一定推进作用。
         成果链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03638.
         文章来源：南京理工大学