自從1799年伏打電池問世以來，金屬Zn由于具有較高的理論容量(820mAhg-1)、較低的電勢(-0.762VvsSHE)以及儲(chǔ)量豐富、低毒和安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，被視為水系電池理想的負(fù)極材料之一。

圖1.Ni-3DZn電池

JosephF.Parker,DebraR.Rolisonetal.Regeablenickel–3Dzincbatteries:Anenergy-dense,saferalternativetolithium-ion.Science2017,356,415-418.

問題在于：在堿性水溶液中，金屬Zn容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生低庫倫效率、枝晶生長以及水消耗等問題，造成充放電不可逆等問題。即便在中性條件下，枝晶問題有所減緩，而低庫倫效率仍然是一個(gè)重大問題。

有鑒于此，美國馬里蘭大學(xué)ChunshengWang和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室KangXu等人報(bào)道了一種基于高濃度Zn2+的水系電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高庫倫效率、無枝晶的高可逆金屬Zn電池。

圖2.金屬Zn負(fù)極測試

研究人員以1mZn(TFSI)2和20mLiTFSI混合配置高濃度電解質(zhì)，pH呈中性。這種獨(dú)特的電解質(zhì)配方確保了在近乎100%的庫倫效率下幾乎不生長枝晶。同時(shí)，在開放空氣環(huán)境中，水量不會(huì)減少，這樣，電池配置就不一定必須是密封型的。

圖3.Li鹽濃度的影響

研究人員分別以LiMn2O4和O2作為正極材料，與金屬Zn負(fù)極組成全電池。基于LiMn2O4正極的金屬Zn電池在循環(huán)4000圈后，實(shí)現(xiàn)80%的容量保留率，達(dá)到180Whkg-1。基于O2正極的金屬Zn電池在循環(huán)200圈后，達(dá)到300Whkg-1(按正極：1000Whkg-1)。

圖4.Zn/LiMn2O4全電池性能

圖5.Zn/O2全電池性能

結(jié)構(gòu)表征、譜學(xué)研究以及分子模擬綜合表明，這種金屬Zn電池的高度可逆性來源于高濃度水系電解質(zhì)中Zn2+的溶劑化-保護(hù)層(solvation-sheath)結(jié)構(gòu)。大量陰離子迫使它們涌向附近的Zn2+，形成離子對(duì)(Zn-TFSI)+，有效抑制(Zn-(H2O)6)2+的形成。

圖6.分子動(dòng)力學(xué)模擬

總之，這項(xiàng)研究為金屬Zn負(fù)極應(yīng)用于水系電池開辟了全新的道路，并為其他類型的不可逆電池提供了借鑒!