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長壽命、低成本、高能量密度和安全的儲能技術(shù)對于將間歇性可再生能源集成到未來的去碳電網(wǎng)至關(guān)重要，其中基于金屬鋅負(fù)極和弱酸性電解液的水系鋅離子電池被認(rèn)為是有前途的候選者。

然而，鋅離子電池的壽命受限于鋅金屬負(fù)極在弱酸性電解液(如Zn(OTf)₂和ZnSO₄, 3≤pH≤5.5) 中嚴(yán)重的不可逆性，導(dǎo)致嚴(yán)重的析氫反應(yīng)和持續(xù)的死鋅產(chǎn)生(即電子或離子惰性的負(fù)極區(qū)域)和不受控制的枝晶生長。

在此，香港城市大學(xué)支春義教授和范俊教授等人通過對電解液工程，開發(fā)了實(shí)用的安時級水系鋅金屬軟包電池。

在確定了質(zhì)子還原是Zn金屬電沉積過程中H₂析出的主要來源后，設(shè)計(jì)了一種反膠束電解液，利用環(huán)丁砜將水束縛在反膠束納米域中，阻礙了Grotthuss質(zhì)子傳輸路徑，從而有效抑制了質(zhì)子還原，提高了鋅負(fù)極的整體可逆性。

為了嚴(yán)格評估不同副反應(yīng)中鋅的可逆性，作者創(chuàng)建了一種改進(jìn)的CE測試方案，半定量區(qū)分了每個寄生因子對鋅負(fù)極整體可逆性的分布。在所開發(fā)的RME中，鋅負(fù)極表現(xiàn)出平衡的可逆性，包括強(qiáng)的H₂共析出抑制、增強(qiáng)的死鋅抑制、枝晶抑制、提高的耐腐蝕性和較快的反應(yīng)動力學(xué)。

圖1. RME的結(jié)構(gòu)和水與環(huán)丁砜之間的相互作用

此外，他們開發(fā)并驗(yàn)證了一種電化學(xué)測試方案，以綜合評估電池的庫倫效率和鋅金屬負(fù)極循環(huán)壽命。最后，他們使用反膠束電解液組裝并測試了一個實(shí)用的安時型Zn||Zn_0.25V₂O₅·nH₂O多層軟包電池，其初始能量密度為70 Wh L^-1(基于電池組分的體積)，在56 mA g^-1（基于正極活性物質(zhì)）和~25 ℃下循環(huán)390次后容量保持率約為80%，循環(huán)壽命超過5個月。

因此，作者建立的CE測試方案和評價標(biāo)準(zhǔn)可以擴(kuò)展到其他多價金屬負(fù)極(如Al、Mg和Mn)的可逆性，而反膠束結(jié)構(gòu)為新興的電池化學(xué)打開了一條控制離子傳輸和平衡水溶液電解液中副反應(yīng)的可持續(xù)途徑。

圖2. Ah Zn||Zn_0.25V₂O₅·nH₂O多層軟包電池的電化學(xué)性能

Sulfolane-containing aqueous electrolyte solutions for producing efficient ampere-hour-level zinc metal battery pouch cells, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-37524-7

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