不长枝晶的长寿命金属锌电池

自从1799年伏打电池问世以来，金属Zn由于具有较高的理论容量(820mAhg-1)、较低的电势(-0.762VvsSHE)以及储量丰富、低毒和安全等诸多优点，被视为水系电池理想的负极材料之一。

图1.Ni-3DZn电池

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

问题在于：在碱性水溶液中，金属Zn容易发生化学反应而产生低库伦效率、枝晶生长以及水消耗等问题，造成充放电不可逆等问题。即便在中性条件下，枝晶问题有所减缓，而低库伦效率仍然是一个重大问题。

有鉴于此，美国马里兰大学ChunshengWang和美国陆军研究实验室KangXu等人报道了一种基于高浓度Zn2+的水系电解质，实现了高库伦效率、无枝晶的高可逆金属Zn电池。

图2.金属Zn负极测试

研究人员以1mZn(TFSI)2和20mLiTFSI混合配置高浓度电解质，pH呈中性。这种独特的电解质配方确保了在近乎100%的库伦效率下几乎不生长枝晶。同时，在开放空气环境中，水量不会减少，这样，电池配置就不一定必须是密封型的。

图3.Li盐浓度的影响

研究人员分别以LiMn2O4和O2作为正极材料，与金属Zn负极组成全电池。基于LiMn2O4正极的金属Zn电池在循环4000圈后，实现80%的容量保留率，达到180Whkg-1。基于O2正极的金属Zn电池在循环200圈后，达到300Whkg-1(按正极：1000Whkg-1)。

图4.Zn/LiMn2O4全电池性能

图5.Zn/O2全电池性能

结构表征、谱学研究以及分子模拟综合表明，这种金属Zn电池的高度可逆性来源于高浓度水系电解质中Zn2+的溶剂化-保护层(solvation-sheath)结构。大量阴离子迫使它们涌向附近的Zn2+，形成离子对(Zn-TFSI)+，有效抑制(Zn-(H2O)6)2+的形成。

图6.分子动力学模拟

总之，这项研究为金属Zn负极应用于水系电池开辟了全新的道路，并为其他类型的不可逆电池提供了借鉴!