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Angew. Chem. :动态修复亲锌固态电解质相界面循环缺陷以实现超高倍率超稳定锌负极

近年来,水系锌离子电池因其独特的高安全性质和在大规模可再生能源储存中的广阔应用前景得到越来越多的关注。对于锌金属基水系锌离子电池,锌负极存在的枝晶、析氢、碱式锌盐副反应等问题严重限制了其循环寿命。尽管利用界面工程在锌负极表面构造固态电解质相界面(Solid Electrolyte Interphases, SEI)以减缓副反应并稳定锌负极的策略最近多有报道,但在严苛条件(大电流密度/高锌利用率)下,SEI容易出现钝化/破损现象,如何高效地确保SEI的导锌能力和完整性是当前构筑高效锌负极面临的一大难题。


基于此,广东工业大学李成超教授和刘晓庆教授受免疫系统中树突细胞的巡查功能启发,提出利用简单且低成本的双草酸硼酸锂(LiBOB, LB)作为多功能电解质添加剂,通过模拟树突状细胞的巡查功能以实时检测原位生成的高亲锌SEI 在循环过程中出现的缺陷并自动修复破损处,成功构筑了具有超高倍率和超长寿命的锌金属基水系锌离子电池。



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在添加LB后,锌负极的倍率性能得到了显著提升,在50 mA cm-2条件下可以稳定工作 (1800h),而在未改性的电解液中锌负极仅到20 mA cm-2时便迅速失效,这主要归功于LB在锌负极表面原位形成具有自修复功能的SEI膜,这极大地阻断了枝晶、水分解相关的副反应。更重要的是,锌负极在同时处于大电流和高锌利用率时面临的各类问题也得到了显著改善,在30 mA cm-2/ 35 mAh cm-2 (75%的锌利用率)下能够实现接近80 h的稳定锌沉积/剥离过程。此外,文章还通过DFT理论计算和非原位XRD、FT-IR、XPS等表征手段对循环过程中LB是如何动态巡查缺陷并自动修复亲锌SEI进行了详细的分析探讨,揭示了其工作机理。

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此外,得益于LB对锌负极在极端条件下的有效保护,基于该电解液组装的低N/P比(~3)的Zn//NVO全电池也展现出极佳的电化学性能。

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综上所述,该工作着眼于保护锌负极的SEI整体性和导锌能力,以SEI在循环过程中的钝化/破损难题为出发点,提供了一种新颖且有效的电解质设计策略,有效解决了锌金属基水系锌离子电池在极端条件下循环寿命短的问题。

文信息

Lithium Bis(oxalate)borate Additive for Self-repairing Zincophilic Solid Electrolyte Interphases towards Ultrahigh-rate and Ultra-stable Zinc Anodes

Zhaoyu Zhang, Dr. Yufei Zhang, Dr. Minghui Ye, Dr. Zhipeng Wen, Dr. Yongchao Tang, Prof. Xiaoqing Liu, Prof. Cheng Chao Li


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202311032




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