摘要：水系锌金属电池(ZMB)因其储量丰富、成本低、锌负极高比容量(820 mAh g-1和5,855 mAh cm-3)、氧化还原电位适中(与标准氢电极相比-0.76 V)等优点而受到广泛关注。然而，由于电解液的持续消耗，在Zn金属负极上产生的析氢反应(HER)和
研究背景
水系锌金属电池(ZMB)因其储量丰富、成本低、锌负极高比容量(820 mAh g-1和5,855 mAh cm-3)、氧化还原电位适中(与标准氢电极相比-0.76 V)等优点而受到广泛关注。然而，由于电解液的持续消耗，在Zn金属负极上产生的析氢反应(HER)和腐蚀等副反应极大地缩短了ZMB的日历寿命，同时，不可控的Zn枝晶生长严重危害循环稳定性。采用水-非水解耦电解质设计被认为是重新发明ZMB化学并解决上述问题的可行策略。在这种电池结构中，负极侧的非水相(N相)电解液取代了Zn2+内部溶剂化壳中的H2O分子，从而减轻了水解诱导的HER。同时，正极侧的水相(A相)电解液激活了正极材料的晶格，增强了它们的离子传输动力学。现有解耦电解液中的N相是基于亲水性的极性溶剂构建的，A相的分层是通过Hofmeister效应或盐析效应放大的两相的盐溶解度差异来实现的；而这些解耦电解液具有典型的热力学亚稳态特征。随着时效时间的延长，电解液组分的跨相扩散导致N相中H2O含量上升，显著加剧了HER和Zn负极的腐蚀。解耦电解液的搅拌或ZMB的晃动/翻滚不可避免地加速了这种跨相扩散过程，导致电池过早失效。此外，这些解耦电解液的N相中Zn金属负极的枝晶问题仍然是需要克服的障碍.
研究内容
鉴于此，华中科技大学的冯光教授、清华大学深圳国际研究生院周栋副教授和康飞宇教授，在国际知名期刊J. Am. Chem. Soc. 上发表题为“A Self-Phase Separated Electrolyte toward Durable and Rollover-Stable Zinc Metal Batteries”的文章。该文章报道了一种用于安全耐用ZMB的自相分离电解液(SPSE)。根据Hildebrand溶解度参数和介电常数合理筛选，确定了一种疏水不燃溶剂N,N-二甲基三氟乙酰胺(FDMA)来构建SPSE的N相。FDMA和保水剂的协同作用使N相与硫酸锌基A相自发分离，且经过搅拌和老化后解耦平衡保持热力学稳定。研究发现SPSE的N相能够精确调节Zn沉积，并形成保护性固体电解质界面(SEI)，从而有效地抑制HER和Zn枝晶的生长。同时，SPSE内的A相有效地激活了金属氧化物正极的晶格，加速了电极反应动力学。采用SPSE制备的Zn||V2O5全电池具有超过3000次的超长循环寿命，最小的析氢和腐蚀。更重要的是，超声成像证实，采用亲疏水双层隔膜设计，软包电池在反复翻转过程中保持稳定循环，不存在由重力引起的电解液上下相反转。这些关键发现为实用的ZMB提供了一种有前途的电解液设计策略。
研究亮点
⭐根据Hildebrand溶解度参数和介电常数合理筛选，确定了一种疏水不燃溶剂N,N-二甲基三氟乙酰胺(FDMA)来构建SPSE的N相。
⭐ FDMA和保水剂的协同作用使N相与硫酸锌基A相自发分离，且经过搅拌和老化后解耦平衡保持热力学稳定。
⭐ N相能够精确调节Zn沉积，并形成保护性固体电解质界面(SEI)，从而有效地抑制HER和Zn枝晶的生长。
⭐ A相有效地激活了金属氧化物正极的晶格，加速电极反应动力学。
图1. SPSE的设计原理
图2. SPSE|负极界面溶剂化结构及抗腐蚀性能表征
图3. 锌沉积/剥离的电化学行为研究
图4. 循环后锌负极的表面形貌研究
图5. 循环后锌负极上SEI的结构表征
图6. Zn|SPSE|V2O5全电池性能评估
研究结论
通过将Hildebrand溶解度参数与介电常数作为溶剂筛选的标准，我们开发了一种自相分离电解液，其对锌负极和金属氧化物正极都具有高相容性。FDMA非水溶剂和保水剂协同作用导致非水相与水相自发分离，其解耦平衡在搅拌和搁置过程中保持热力学稳定。SPSE的非水相在Zn负极上构建了保护性SEI，从而阻止了HER和枝晶的生长，而水相则激活了V2O5正极晶格，增强了电极动力学。基于SPSE组装的Zn||Zn对称电池实现了2500 h的循环寿命，与传统的水系电解液相比，腐蚀电流降低了10倍。Zn|SPSE|V2O5全电池的循环寿命超过3000次，并且软包电池在频繁翻转条件下依旧保持稳定的容量。这些关键发现为电解液设计的实用方法铺平了道路。
文献信息
Xin Zhao, Jiaping Fu, Ming Chen, Yao Wang, Cong Huang, Kun Qian, Guang Feng,* Baohua Li, Dong Zhou,* and Feiyu Kang*. A Self-Phase Separated Electrolyte toward Durable and RolloverStable Zinc Metal Batteries. J. Am. Chem. Soc., 2025. DOI: 10.1021/jacs.4c15132.
来源：晓晨看科技
