水系鋅離子電池（AZIBs）具有安全、廉價、無污染等優(yōu)勢，是未來大規(guī)模可持續(xù)能源存儲的有希望候選者。然而，鋅金屬負極會遭受氧化腐蝕、與電解液發(fā)生副反應(yīng)、運行過程中枝晶生長無序，從而導(dǎo)致效率低、壽命短。

在此，澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授、鐘育霖教授等人探索并提出了一種簡單、安全且具有成本效益的方法，通過將CO₂氣體吹掃到ZnSO₄電解液中來提高AZIBs的電池性能和循環(huán)壽命。

作者通過實驗證明了該方法穩(wěn)定Zn負極的組合機制：首先，CO₂氣體最大限度地減少了電解液中溶解的O₂，從而抑制了鋅負極的氧化腐蝕。其次，在電解液中引入CO₂氣體可通過形成H₂CO₃來緩沖局部增加的pH值，從而抑制副反應(yīng)。在 2 mol L^-1 ZnSO₄電解液中吹掃CO₂后，pH值在最初的10分鐘內(nèi)逐漸下降并穩(wěn)定在3.6左右。第三，CO₂促進了ZnCO₃固體電解質(zhì)界面層的原位形成，該層作為物理屏障阻礙了鋅負極表面的枝晶生長、副反應(yīng)和腐蝕。

圖1. 引入CO₂后電解液的物理化學(xué)性質(zhì)和性能

因此，在對稱電池中進行測試時，所得穩(wěn)定且無枝晶的Zn電極在40 mA cm^-2的超高電流密度下實現(xiàn)了超過32000次循環(huán)（1600小時）的卓越性能。與空白電解液相比，該電解液的使用壽命增加了近50倍，這在文獻中從未有其他干預(yù)措施達到過。

此外，它還在2和10 mA cm^-2的電流密度下表現(xiàn)出99.7% 的高平均CE。作為概念驗證，基于Zn負極/V₂O₅正極組裝的全電池在5A g^-1的高電流密度下1000次循環(huán)后容量保持率為66%，而基于空白對照電解液的全電池容量保持率僅為38%。總之，這項研究展示了使用CO₂氣體作為一種廉價的電解液添加劑可顯著影響鋅負極的穩(wěn)定性，為AZIBs作為下一代儲能裝置的實際應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2. Zn/V₂O₅全電池的電化學(xué)性能

Ultrastable Zinc Anode Enabled by CO₂-Induced Interface Layer, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c05124