深圳大学刘卓鑫AM丨温度自适应电解质助力宽温域水系锌离子电池!渠广猛/魏桦共同一作

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锌枝晶生长以及锌阳极与水电解质之间的寄生副反应阻碍了水系锌离子电池（AZIBs）的发展，尤其是在极端温度条件下。

2024年4月29日，深圳大学陈光明教授、刘卓鑫助理教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“A Temperature Self‐Adaptive Electrolyte for Wide‐Temperature Aqueous Zinc‐Ion Batteries”的研究论文，团队成员渠广猛、魏桦为论文共同第一作者，刘卓鑫助理教授、南方科技大学李洪飞助理教授、中国科学院深圳先进技术研究院韩翠平副研究员为论文共同通讯作者。

该研究揭示了锌阳极在恶劣环境下的性能衰减机制，其特点是在低温条件下出现“死锌”，而在高温条件下析氢加剧并产生不良副产物。为了解决这些问题，研究人员介绍了一种基于助溶剂与阴离子竞争配位原理的温度自适应电解质（TSAE）。该电解质具有动态溶剂化能力，在低温下生成富无机固体电解质界面（SEI），而在高温下生成含有机烷基醚和碳酸烷基酯的SEI。电解质的自适应性显著提高了锌阳极在较宽温度范围内的性能。基于TSAE的Zn//Zn对称电池，在1mA·cm^-2和1mAh·cm^-2的室温下，可逆镀层/剥离时间超过16,800小时（>700天），创造了寿命记录。此外，TSAE还能使锌全电池在-35~75°C的超宽温度范围内稳定运行。该研究工作为在极端温度下通过微调界面化学性质来优化AZIBs指明了一条途径。

DOI：10.1002/adma.202400370

该研究阐明了锌阳极在水性电解质中的界面特性随温度变化的情况。首先确定了室温以外阳极失效的根本原因，即低温下“死”锌的积累和高温下电化学腐蚀的加剧。为此，研究团队引入了一种温度自适应电解质（TSAE），它能够在特定温度下产生兼容的SEI。表征结果表明，在低温条件下会形成有利于Zn²⁺传输的富无机物的薄SEI，在高温条件下有利于抑制HER和电极腐蚀的由无机盐和无定形有机成分组成的厚SEI。这种自适应能力使得可逆锌金属阳极在恶劣的环境条件下不受副反应和枝晶形成的影响。TSAE带来的有利影响在Zn//Zn, Zn//Cu和PANI//Zn电池中得到了验证，并取得了示范性成果，包括在室温下可逆镀锌/剥离寿命超过16800小时（>700天），以及在-35~75°C的超宽温度范围内稳定运行。

图1. 室温之外锌阳极失效机理分析

图2. TSAE的设计原理和物理化学性质

图3. TSAE在宽温度范围内的动态溶剂化环境

图4. 锌阳极的可逆性

图5. SEIs的化学结构

图6. SEIs的FIB-TEM图像

图7. SEIs的防腐特性和离子扩散动力学

图8. PANI//Zn全电池的电化学性能

总之，该研究引入了一种含有醚基助溶剂的自适应电解质，旨在形成对温度敏感的独特SEI，从而使AZIBs即使在极端条件下也能提供卓越性能。具体来说，在低温条件下，TSAE可促进形成薄而富无机物的SEI，通过促进Zn²⁺的传输，有效缓解了界面动力学的迟缓；同时，在高温条件下，TSAE可诱导形成由无机盐和无定形有机相混合而成的厚SEI，从而显著抑制HER和电极腐蚀。因此，Zn//Zn对称电池在室温和超宽工作温度范围内显示出超过16800小时（大于700天）的创纪录寿命。此外，TSAE在PANI//Zn全电池中的应用也取得了显著进步，在-35至75°C的宽温度范围内表现出卓越的CE和超稳定循环性能。该研究不仅引入了温度自适应电解质，而且证实了其功效，有望推动具有抗冻和耐热特性的AZIBs的开发，从而实现各种应用领域的应用前景。

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