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来源：能源学人收集编辑：Energist
通讯作者：P. Alex Greaney，Chong Fang，纪秀磊可充电水性锌电池可大规模应用于静态储能。然而，利用可逆的二电子氧化还原化学反应存在一些主要的技术障碍，尤其是在锌表面出现的产氢反应（HER），其影响通常在通常的测量条件下难以观察。在此，俄勒冈州立大学纪秀磊团队报道一种浓缩电解质设计，该设计消除HER寄生反应，并在0.2 mA cm-2的低电流密度下测量出Zn沉积/剥离的库仑效率（CE）为99.95%。通过在浓缩的ZnCl2电解液中加入额外的氯化物盐和碳酸二甲酯，该混合电解液具有独特的化学环境，具有低的哈米特酸度，并有助于原位形成双层固态电解质界面，保护Zn阳极免受H2生成反应和树枝状生长的影响。由于接近完美的库仑效率，该软包电池采用VOPO4·2H2O阴极，可以在不膨胀或泄漏的情况下持续进行500个深度循环，并在实际条件下提供100 Wh kg-1的能量密度。可充电水性锌金属电池（ZMBs）的广泛商业化取决于足够高的Zn沉积/剥离的库仑效率（CE）。锌金属阳极（ZMA）高库仑效率面临着不可逆的氢气生成反应（HER）和沉积时锌枝晶的形成的挑战。与枝晶生长相比，HER更难以抑制，因为它是在电解液中ZMA和水分子之间的自发寄生反应，不断消耗ZMA的活性质量，并引起关于产生易燃氢气的安全问题。为了抑制HER，一种策略是提高ZMA氧化电位，例如通过在更稳定的（0002）晶面上沉积锌。另一种策略是通过使用水/盐电解质、深共熔溶剂和分子拥挤电解质来改善水的阴极稳定性。此外，还报道了多种稳定ZMA表面的策略，包括形成固态电解质界面（SEI）层，改变Zn离子的溶剂化结构，以及稳定局部pH值。然而，大多数报道的CE值是在1 mA cm-2或以上的电流密度下测量的。然而，测得的CE与所施加的电流密度成正比，而高电流密度往往掩盖了HER的后果。因此，报告的高CE值无法避免由于氢气积聚而导致的电池膨胀或电解质泄漏等电池故障。一种严格的测试方法是使用袋式电池，以揭示HER的后果。如果产生气体，软包电池会迅速膨胀；然而，长期循环中没有HER的原型软包电池很少被报道。基于此，俄勒冈州立大学的Chong Fang，纪秀磊联合加利福尼亚大学河滨分校P. Alex Greaney等人开发一种能抑制Zn枝晶和HER的电解液配方。复合电解质的降低的哈米特酸度和双层SEI的形成使得在0.2 mA/cm²下测量的平均Zn沉积/溶解CE达到了99.95%。利用接近100%的CE，VOPO4·2H2O || Zn 世伟洛克（Swagelok）电池在负/正电极容量比（N/P比）为2的情况下保持初始容量的80%，并在4300个循环内的CE等效于99.97%。此外，该软包电池在限定电解液供应量（8.8毫升/安时）、负极/正极容量比为2.3、正极面积容量为2.5毫安时/平方厘米的条件下，实现了100瓦时/千克的能量密度，并在500个循环中提供稳定的循环性能。图2. ZMA 在 30Z 和 ZLT-DMC 电解质中的物理特性图3. ZLTDMC 中 ZMA 界面化学的物理表征图4. VOPO4·2H2O||Zn全电池的电化学性能Heng Jiang, Longteng Tang et al. Chloride electrolyte enabled practical zinc metal battery with a near-unity Coulombic efficiency Nature Sustainability (2023).https://doi.org/10.1038/s41893-023-01092-x