圖1. β-CD@ ClO4–配合物主客體相互作用的量子化學計算和表征作者通過理論計算、光譜表征和等溫滴定量熱法(ITC)測量,清楚地證明了β-CD和ClO4–陰離子之間的主-客體相互作用以及β-CD@ ClO4–配合物的形成。由于固定化ClO4–的均勻分散,Zn2+的遷移數從0.457明顯提高到0.878,顯著減輕了電極表面附近的陽離子耗竭,抑制了鋅枝晶的隨機生長。更引人注目的是,β-CD@ ClO4–配合物通過控制不同晶面上的生長速率,阻止了鋅枝晶的產生,以及包括HER和腐蝕行為在內的副反應,使平面Zn(002)優先暴露。圖2. 鋅負極晶體重新取向的調節功能和機制圖3. 理論模擬和電化學測試解釋β-CD@ ClO4–配合物調制的快速Zn2+擴散此外,實驗結果和有限元分析結果表明,β-CD的陰離子阱效應有利于更流暢均勻的鋅離子通量轉移,阻止鋅枝晶的生長。作者通過Zn||Zn對稱電池的長周期循環實驗,進一步證實了β-CD對鋅枝晶生長抑制的增強作用,如圖4d和4e所示。β-CD@ClO4–復雜的獨特結構進一步導致顯著提升Zn||Zn對稱電池的性能,在1 mA cm-2/1 mAh cm-2和5 mA cm-2/5 mAh cm-2下分別使用超過1000 h和350 h,性能超過10倍的增強。此外,利用含β-CD電解質的Zn||Cu電池的庫倫效率(CE)性能優于純Zn(ClO4)2,在330個周期內,第一個周期為88.3%對80.9%,平均為97.6%對84.9%。圖4. Zn沉積過程的傳遞行為分析和長期穩定性
圖5. 不同電解質下Zn-MnO2全電池的綜合性能對于Zn-MnO2全電池,比容量最大提高57%,在1000次長循環后依然具有63.9%的容量保持率。通過引入β-CD添加劑,Zn-MnO2全電池在所有測試條件下都表現出明顯更高的容量(增強約51%-57%)。原因可以分為以下兩點:一、較高的鋅離子遷移數保證了本體電解質環境和電極/電解質界面之間穩定和足夠的鋅通量,從而使兩個電極兩側的反應效率更高;二、恒流間歇滴定技術(GITT)結果表明,更好的Zn離子遷移行為有利于Zn2+的擴散過程。該器件在0.1 A g-1的電流密度下提供的容量為181.5 mAh g-1,并在1.0 A g-1的快速充放電速度下保持79.0 mAh g-1,顯示其良好的倍率性能。