杨功政副教授、王成新教授团队在水系锌离子电池领域取得重要进展

水系锌离子电池具有本质安全性和高理论容量，被认为在规模储能领域具有良好的应用前景。然而，正极活性材料的溶解、电解质稳定性窗口窄、锌负极表面严重的副反应和锌枝晶等问题成为制约当前水系锌离子电池实用化发展的主要挑战。其中，能够高效可逆存储锌离子的正极材料的制备、物性与储能机制研究在近几年间取得了较大进展。我院王成新教授、杨功政副教授团队近年来在正极材料研究方面取得了一系列原创性的研究成果（ACS Nano, 2019,13, 12081; Adv. Energy Mater., 2019,9, 1901480; Energy Storage Mater., 2021, 42, 715）。

对于水系锌离子电池体系而言，其性能受到自身多种因素的共同影响。其中，电解质与锌负极所面临的困难是亟待解决的问题，也是目前的研究热点。针对水系锌离子电池中锌负极/电解质界面的挑战，调控锌离子沿(002)晶面择优生长是解决该问题的一种有效策略，常见的调控手段包括电解液改性、阳极表面修饰以及构筑3D电极结构等，其中引入电解液添加剂是一种高效且经济的方法。因此，开发一种可有效调控锌离子择优沉积的电解液添加剂是一项富有研究价值和挑战性的工作。

近期，我院王成新教授、杨功政副教授团队提出了一种阴离子表面活性剂聚二硫二丙烷磺酸钠(Sodium 3,3'-dithiodipropane sulfonate, SPS)作为新型的电解液添加剂。该团队采用了多种先进的表征方法（如原位电化学原子力显微镜、原位金相光学显微镜等），引入了基于密度泛函理论的第一性原理计算，全面且系统地阐述了SPS诱导锌离子在(002)晶面上择优沉积的机制。结果表明，SPS的引入能够有效抑制锌枝晶生长和副反应的发生，极大地提升了水系锌离子电池的循环稳定性（图1）。

图1 Zn||Zn对称电池的恒电流循环性能。 (a, b) Zn||Zn对称电池的恒电流循环性能。(c) Zn||Zn对称电池的倍率性能。

(d) Zn||Cu半电池的电镀/剥离可逆性对比。(e)与其他工作的循环性能对比。

       在已发表的相关工作中，电解液添加剂通过改变锌离子的溶剂化结构来调控锌离子的沉积方式。然而，在该项研究中SPS的引入对溶剂化结构的影响可以忽略不计。第一性原理计算表明，SPS阴离子倾向于吸附在(101)和(100)晶面，而非(002)晶面，有效地约束了锌在(002)晶面上优先沉积。锌金属是典型的密排六方结构，(002)晶面是其密排面，锌在该晶面的沉积有利于提高抗腐蚀性，同时抑制锌枝晶形成（图2）。得益于SPS添加剂的双重功能，以其为电解液添加剂构造的Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度和1 mAh cm⁻²的容量密度下可以稳定循环4400 h, 这在已发表的同类工作中处于领先水平。组装了大面积Zn||Zn软包对称电池，而非通常使用的纽扣电池，从而更加准确、合理地衡量电池的电化学性能，并成功实现了超12 Ah的高累积容量。最后，构筑了以V₂O₅·H₂O为正极组装的软包全电池，表现出约2 mAh cm⁻²的高容量以及循环200圈后82.8%的高容量保持率。软包电池的优异性能优于此前报道的大多数水系锌离子电池，表明SPS在水系锌离子电池实用化研究中有着巨大的发展潜力。

图2 SPS添加剂调控锌沉积的机理。(a)不同电解液中沉积的锌的XRD图。(b)锌的密排六方结构示意图。

(c)SPS阴离子与锌负极表面不同晶面间的吸附能。(d)锌离子在不同电解液中沉积方式的示意图。

相关研究成果于2023年1月5日在线发表于能源材料领域国际著名学术期刊 Energy & Environmental Science (https://doi.org/10.1039/D2EE03528F)。我院2021级博士研究生林越兴是该论文的第一作者，王成新教授及其团队杨功政副教授作为论文的共同通讯作者，团队李岩副教授、梁海宽、麦朝旭对论文亦有重要贡献。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位。该研究工作受到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中山大学测试中心的大力支持。

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军