来源：水系能源

01 全文摘要

电极表面严重腐蚀和枝晶生长的问题阻碍了水系锌电池的商业化。电极表面稳定的固体电解质界面(SEI)对于提高锌负极的电化学性能至关重要。在此，南开大学陶占良教授团队开发了一种新型两性离子添加剂，作为具有SEI形成能力的双电层(EDL)调节剂。两性离子与Zn阳极优先吸附，构建快速Zn2+迁移通道。更重要的是，由于两性离子的优先电还原，可以在阳极上原位生成ZnF2 SEI层，这将Zn阳极与电解质隔离。因此，使用该电解质的对称电池在10 mA cm-2和10 mAh cm-2下能够保持超过600小时的长期循环稳定性。两性离子添加剂的优点在Zn||V2O5·nH2O全电池中得到进一步证明，1000次循环后容量保持率为~80%。

02 图文速递

图1：使用TMB-5和1 M ZnSO4电解质的恒电流循环性能

(a-c)在1 M ZnSO4电解质中使用或不使用TMB添加剂，组装的Zn||Zn对称电池的循环性能(插图显示放大的电压-时间曲线)。(d)使用TMB-5电解质的Zn||Zn对称电池的倍率循环性能。(e)Zn||Cu不对称电池在TMB-5和1 M ZnSO4电解质中在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下的可逆性。(f)本工作与其他报道的工作之间Zn||Zn对称电池中CPC的比较。

图2：TMB在锌阳极上的电化学分解

(a)H2O和TMB分子在Zn(002)上的吸附能；(b)TMB和H2O分子的HOMO/LUMO能级；(c,d)Zn和TMB(H2O)之间电荷密度差的空间分布。在TMB-5电解质中循环50次后，Zn阳极上的(e)Zn 2p和(f)F 1s的深度XPS光谱。(g-i)TEM图像和(j-l)HAADF图像以及在TMB-5电解质中循环的Zn阳极的相应元素图。

图3：电化学测量和表征

(a)以1 mV s-1的扫描速率测试线性扫描伏安曲线。(b)Zn阳极在不同电解质中循环50次后在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下的XRD图谱。Zn阳极在(c)1 M ZnSO4和(d)TMB-5电解质中循环50次后的横截面SEM图像。(e)不同电解质中锌阳极表面的双层电容。(f)不同电解质的锌离子迁移数的比较。(g)Zn||Zn对称电池在TMB-5和ZnSO4电解质中在1 mA cm-2下的初始Zn成核超电势。(h)TMB-5和ZnSO4电解质中的阿伦尼乌斯曲线和相应的活化能。

图4：直接观察循环过程中的锌沉积

在2 mA cm-2和2 mAh cm-2下第10次循环后，TMB-5中的Zn沉积(a,b)和ZnSO4电解质中的Zn沉积(c,d)的异位SEM图像；在(e)TMB-5和(f)ZnSO4电解质中循环的Zn阳极的3D高度图像；(g)-150 mV下不同电解液中Zn沉积的CA曲线；在(h)ZnSO4和(i)TMB-5电解质中电流密度为5 mA cm-2时Zn沉积过程的原位光学显微镜图像；(j,k)TMB添加剂增强锌沉积过程的基本机制示意图。

图5：Zn||V2O5·nH2O全电池的电化学性能

(a)TMB-5中Zn||V2O5·nH2O全电池在0.5 mV s-1下的CV曲线。(b)使用TMB-5和ZnSO4电解质的全电池的倍率性能。(c)全电池在TMB-5和ZnSO4电解质中在1 A g-1下的长期循环。使用(d)TMB-5和(e)1 M ZnSO4电解质的全电池在1 A g-1下的典型电压曲线。

03 研究结论

总之，两性离子TMB首先被开发为一种新型SEI形成能力电解质添加剂，用于抑制寄生反应并改善AZIBs中Zn阳极的沉积动力学。特别是，TMB可以优化EDL结构并调节Zn2+离子在Zn阳极界面的扩散，提供更快的Zn2+转移动力学。更重要的是，TMB比水分子优先被电还原，并在循环过程中协助形成ZnF2 SEI，保护层可以将Zn阳极与液体电解质隔离以抑制寄生反应。因此，在具有5wt％TMB添加剂的1 M ZnSO4电解液中可以实现具有无枝晶和均匀沉积形态的镀锌/剥离过程的高稳定性和可逆性。这项工作将两性离子扩展为一种新的 SEI 形成能力添加剂系列，用于开发水系金属电池。

04 原文链接

Zwitterion as Electrical Double Layer Regulator to in-situ formation of Fluorinated Interphase towards Stable Zinc Anode

Zhengtai Zha，Tianjiang Sun，Diantao Li，Tao Ma，Weijia Zhang，Zhanliang Tao*

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103059