AM：用螯合配体调节锌离子溶剂化化学实现稳定的水系锌负极

Nanoyu

2022-07-29

改变水合锌离子的溶剂化鞘是稳定锌负极以获得实用的水系锌离子电池的有效策略。然而，目前关于合理设计的关键点仍然不清楚，包括溶剂分子的性质如何内在地调节锌离子的溶剂化结构。

基于此，天津大学杨全红教授提出了一个稳定常数作为选择电解质中配体的通用标准，以提高锌负极的稳定性。

文章要点

1）这个稳定常数(K)是配合反应的平衡常数，反映了配体与溶剂化离子之间的结合强度，代表了配合物的稳定性。通常，K值越大，配位化合物越稳定。在使用库仑效率(CE)测量和线性极化实验筛选一系列配体后，发现乙二胺四乙酸(EDTA)在所有选择的配体中具有最高的K值，并且通过完全取代[Zn(H₂O)₆]²⁺中的水合H₂O分子而与Zn离子强烈溶剂化。

2）密度泛函理论（DFT）结果表明，溶剂化的EDTA-Zn优先吸附在负极表面，阻止了镀锌过程中H₂O分子的聚集，防止了界面水对负极的腐蚀。此外，锌离子需要克服高能垒才能从EDTA-Zn配合物中释放出来，并在负极上沉积锌。由于EDTA-Zn配合物的稳定性比其它Zn-配体配合物的稳定性高，这产生了稍高的成核过电位，引导更均匀的Zn沉积。

3）结果表明，EDTA-Zn负极在5 mA cm^-2的高电流密度下具有超过3000 h的高稳定性。通过将该负极与钒酸铵（NH₄V₄O₁₀，NVO）正极结合，全电池具有稳定的循环性能，800次循环后容量保持率为68.3 %，每次循环容量衰减仅为0.04 %。

这项工作给出了通过调节离子溶剂化化学来稳定锌负极的一般原理，即K值决定了Zn²⁺与通常有害的H₂O或其他配体添加剂的竞争性溶剂化。具有不同K值的配体的使用极大地影响锌离子的螯合-吸附-释放过程，并因此导致锌负极的不同腐蚀电流密度和成核过电位。

参考文献

Rongwei Meng, et al, Tuning Zn-ion Solvation Chemistry with Chelating Ligands towards Stable Aqueous Zn Anodes, Adv. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adma.202200677

https://doi.org/10.1002/adma.202200677