固态电解质界面主导高倍率稳定锌金属电池中锌离子的传输动力学
固态电解质界面主导高倍率稳定锌金属电池中锌离子的传输动力学
香港城市大学支春义团队联合悉尼大学裴增夏团队在锌金属电池研究方面取得重要进展。他们首次揭示，固态电解质界面内的Zn2+传输是嵌锌型锌金属电池内载流子传输动力学的决速步。通过优化固态电解质界面化学，实现了软包电池的高能量密度和循环稳定性。
可充电锌金属电池因其成本效益高且安全性好，已成为备受关注的能源储存技术。锌金属电池全部潜力的实现在很大程度上依赖于稳定的锌阳极。目前，锌阳极的使用受到其较差的可逆性和短路问题的严重限制，这些问题主要由寄生反应（例如电解液分解、钝化）和锌剥离/镀层反应过程中臭名昭著的枝晶问题引起。
基于固态电解质界面的改性被认为是最成功的策略，近几年来一直广泛地被研究和利用。有效的固态电解质界面可以同时实现锌阳极在电池循环过程中的高稳定性和高利用率，这对于构建高能量密度和可靠的锌金属电池至关重要。但固态电解质界面的存在对Zn2+的界面行为有着巨大和多方面的影响，对在固态电解质界面中穿行的Zn2+电荷转移动力学的理解仍不可知。目前还没有工作严格地衡量固态电解质界面层中的Zn2+与其他步骤的传输动力学。
在这项工作中，研究团队证明了嵌锌型锌金属电池中Zn2+电荷传输动力学的决速步是固态电解质界面内的阳离子传输。首次证明在调整后的固态电解质界面中独特形成的高Zn2+导电的Zn3N2物种在促进Zn2+传输和缓解锌枝晶生长方面优于ZnF2。配备这种增强的固态电解质界面化学，软包电池展现出显著提高的倍率能力和更高的循环稳定性。此外，在应用型软包电池中实现了高达72%的锌阳极利用率和基于阴极和阳极（包括其事实上的集流体部分）的118.6 Wh kg-1的设备级比能量。
图1：全电池中Zn2+载流子的完整传输示意图。
图2：酰胺分子的性质和电解液溶剂化结构分析。
图3：电解液性质和锌沉积/剥离行为。
这项研究通过对水性和有机电解液中各种关键过程中Zn2+传输动力学的全面对比分析，首次揭示了嵌锌型锌金属电池中电池内Zn2+传输的决速步是固态电解质界面内的阳离子运输。基于优化的固态电解质界面化学所带来的增强的Zn2+传输动力学，软包电池展现出超过了常用水性电解液、显著改善的倍率能力，并且在长循环过程中保持了更高的循环稳定性，容量衰减极小。大尺寸的实用型软包电池还实现了72%的高锌阳极利用率和118.6 Wh kg-1的设备级比能量，并在1.4:1的低N:P容量比条件下进行。
这项研究为锌金属阳极的界面构建开辟了一个合理的途径，使锌金属用于能量密集、高倍率和稳定的能源存储设备。该成果发表在2024年8月21日的Chem期刊上，论文通讯作者是支春义、裴增夏；第一作者是郭寻博士。