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水系鋅離子電池（ZIBs）以其優異的工業適應性和高能量密度等優點在水系儲能技術中得到了越來越多的研究。然而，由于析氫反應（HER）和析氧反應（OER），水系電解液的實際應用受到其窄的電化學穩定電位窗口（純水為1.23V）的限制。此外ZIBs中的復雜副反應嚴重干擾了穩定循環，這已成為水系儲能技術的巨大挑戰。

圖1. 電解液設計及表征

倫敦大學學院何冠杰等首次將水的同位素（EEI）的電化學效應應用于鋅離子電池（ZIBs）的電解液中，以應對嚴重的副反應和大量氣體產生的挑戰。

從動力學研究的角度來看，作者首先對EEI在D₂O和H₂O中的情況進行了分子動力學（MD）模擬，發現了離子在D₂O中的低擴散系數，證明了D₂O基電解液在ZIBs中的良好潛力。由于D₂O中離子的低擴散系數和強協調性，電池中發生副反應的概率降低，在循環過程中表現出更寬的電化學窗口、更少的pH變化和更少的氫氧化鋅硫酸鹽（ZHS）生成。

圖2. 半電池性能

更值得注意的是，D₂O環境可以調解循環過程中ZHS的相態。在這里，作者首次發現，D₂O抑制了ZHS在循環過程中因結合水的變化而引起的不同階段的ZHS的產生，提供了一個更穩定的電極-電解質界面。

因此，與基于H₂O的電解液相比，使用D₂O的全電池表現出更穩定的循環性能，在電壓窗口為0.8-2.0V的1,000次循環和電壓窗口為0.8-1.9V的3,000次循環后，表現出~100%的可逆轉效率。

圖3. 全電池性能

When It’s Heavier: Interfacial and Solvation Chemistry of Isotopes in Aqueous Electrolytes for Zinc-ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202300608

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