近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授与张冬教授在水系锌离子电池研究方面取得新进展，相关成果以“Dual-Parasitic Effect Enables Highly Reversible Zn Metal Anode for Ultralong 25,000 Cycles Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表于《Nano Letters》。
水系锌离子电池因其固有的高安全性、高理论容量以及低成本等优势，在未来大规模能源存储领域具有良好的应用前景。然而，锌负极在传统水系电解液中的热力学不稳定性，引发了严重的枝晶和副反应等问题，极大地阻碍了水系锌离子电池的实际应用。电解液添加剂的功能化设计是提高锌负极稳定性的有效途径。从本质上讲，锌负极的稳定性主要取决于电解液中Zn2+的溶剂化结构和Zn2+的扩散沉积。然而，现有的电解液添加剂并不能有效地同时调节Zn2+的无序扩散和活性水分子的分解，导致优化后的锌负极循环寿命有限。同时，与极材料耦合组装的全电池很少能实现超过10,000次的循环寿命。因此，重新配置Zn2+的溶剂化结构，以减少副反应，与此同时调节Zn2+沉积的均匀性，可能是在恶劣条件下获得可逆锌负极和超长循环寿命的关键。
针对上述问题，研究团队提出了一种双寄生策略，将离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐（[EMIm]OTf）作为助溶剂引入到了3M Zn(OTf)2溶液中。OTf-阴离子寄生在Zn2+溶剂化壳中，降低了活性水分子的数量。EMIm+阳离子倾向于寄生在Zn负极表面，构建了一个静电屏蔽层以及有机/无机杂化固体电解质界面层，同时优化了Zn2+的沉积行为。通过这种策略制备的电解液实现了Zn负极长达3000小时的可逆循环寿命。与V2O5·2.2H2O正极耦合的全电池实现了迄今为止最长的25000次循环寿命，以及良好的低温适应性以及高达4.5 mA h cm-2初始面容量。同时，组装的4层叠片结构的水系锌离子软包电池也实现了190 mA h的高初始容量，这为可充电水系锌离子电池的实际应用提供了一种有前途的电解液解决方案。
图：OTf-阴离子和EMIm+阳离子双寄生效应示意图
文章第一作者为吉林大学物理学院博士研究生马晨辉。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授和张冬教授。该工作得到了国家自然科学基金委以及吉林省科技厅等项目的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00873
