海水直接当电池液？锌金属负极咋稳定？

摘要：大家好！在能源存储领域，咱们都希望能找到又安全、又便宜，还能高效储能的好办法。海水，作为地球上储量巨大的资源，要是能直接用在电池里，那海上的能源存储可就方便多啦！今天，咱们就一起来了解海水锌电池——《All-natural charge gradient in

大家好！在能源存储领域，咱们都希望能找到又安全、又便宜，还能高效储能的好办法。海水，作为地球上储量巨大的资源，要是能直接用在电池里，那海上的能源存储可就方便多啦！今天，咱们就一起来了解海水锌电池——《All-natural charge gradient interface for sustainable seawater zinc batteries》发表于《nature communications》，看看怎么解决它遇到的难题，让它变得更厉害！

*本文只做阅读笔记分享*

一、海水锌电池的研究背景与挑战

在这个追求可持续能源的时代，把海水电解质和锌金属电极搭配起来用于海上固定储能，听起来是不是超酷？它既安全，成本又低，海水还取之不尽。

但现实可没那么美好，海水中的氯离子和复杂阳离子，严重影响着锌金属负极的稳定性。之前也有人想了些办法，比如用锌合金、加电解质添加剂，可锌金属负极在海水电解质里为啥会失效，保护策略该怎么设计，这些问题还是没搞清楚。

二、锌金属负极的腐蚀机制

为了搞清楚锌金属负极在海水电解质里的“悲惨遭遇”，我们先来对比一下海水电解质（NS）和去离子水电解质（DIW）。NS加了2M硫酸锌后，pH值呈弱酸性，和DIW差不多，但它的界面阻抗更低，离子电导率更高，这本来是个优点。可它也有麻烦，水分解反应更活跃，锌腐蚀得更快。

把锌放在电解质里泡7天，结果发现锌表面出现好多六边形片状的副产物，这说明海水中复杂的成分引发了严重的寄生反应。

再看看锌||锌对称电池，在DIW和NS电解质里分别106小时和32小时就短路了，要是用提前在NS里泡过7天的锌电极，短路时间更短，只有9小时。

通过各种分析，我们发现氯离子是个“大反派”，它会导致锌表面出现点蚀，还会和其他成分反应生成副产物，让电池的界面环境变得更差，加剧锌枝晶的生长，最后电池就“罢工”了。

三、电荷梯度界面的设计与合成

面对这些问题，利用电荷梯度界面（CGI）策略。这个策略就像是给锌金属负极穿上了一件“智能防护服”，能调节离子的运输行为。

我们是怎么制作这件“防护服”的呢？用的是多糖前体，像从螃蟹壳里提取的壳聚糖（CS）和从海藻里提取的海藻酸钠（SA）。它们一个带正电，一个带负电，把SA溶液涂在锌箔上，再滴上CS溶液，它们就会迅速发生静电络合反应，形成一个超薄层。随着CS溶液慢慢扩散，这个层的厚度会增加，而且电荷密度会形成梯度，靠近锌表面的地方负电荷最多，远离的地方最少。

从傅里叶变换红外光谱能看到，CS和SA成功形成了复合物。扫描电子显微镜和能谱分析也显示，CGI层厚度均匀，只有2μm，而且在水里很稳定，泡在DIW或NS电解质里都不会溶解、脱落。X射线光电子能谱和zeta电位测试进一步证明了它的电荷梯度结构。这就好比我们精心打造了一件防护装备，不仅合身，而且功能强大，能给锌金属负极提供很好的保护。

四、CGI的神奇性能

CGI对离子的运输有着神奇的调控作用。用穿透实验和分子动力学模拟来研究它。穿透实验里，用CGI把带正电的罗丹明6G、带负电的荧光素钠溶液和空白DIW溶剂隔开，结果发现带正电的罗丹明6G能快速扩散，而带负电的荧光素钠几乎被完全阻挡。分子动力学模拟也表明，CGI对锌离子有很强的吸引力，对氯离子和硫酸根离子有排斥力，锌离子在CGI里的扩散系数比它们高一个数量级。

再看看CGI的防腐和抑制枝晶的效果。我们选了常用的七水合硫酸锌作为锌盐，通过调节反应时间制备了不同厚度的CGI层，发现反应10秒的效果最好。老化实验中，CGI修饰的锌箔在NS和DIW电解质里泡7天，还能保持金属光泽，几乎没有副产物。各种电化学测试也表明，CGI能抑制腐蚀，加速锌离子扩散，让锌沉积更均匀，大大延长了电池的寿命。在锌||锌对称电池测试中，普通锌在NS电解质里只能坚持32小时，而CGI修饰的锌能达到1300小时，提升了40倍！

五、高性能海水基全电池的构建

为了验证NS电解质和CGI的可行性，我们把锌金属负极和一种叫NaV₃O₈・1.5H₂O（NVO）的正极搭配起来，组装成全电池。NS电解质里丰富的钠离子能抑制NVO正极材料的溶解，这对稳定正极很有帮助。

从循环伏安曲线能看出，CGI能加速电化学动力学，降低极化电压。不同配置的锌||NVO全电池性能差别很大，用CGI修饰的锌负极和NS电解质的电池，倍率性能和循环稳定性都更好。在5A/g的电流密度下，容量能达到134.8mAh/g，循环5000次后容量保持率还有51%。而且，这种电池在低温下（-10℃）也能保持60%的容量，表现非常出色。我们还组装了软包电池，它能给小风扇供电，这说明NS电解质和CGI层在实际应用中很有潜力。