在“后鋰離子”電池體系中，水系鋅電池應(yīng)用價值大，近年來受到新的關(guān)注。多種正極材料被報道可與鋅負極進行搭配，以期產(chǎn)生性能的突破。與傳統(tǒng)無機正極材料不同，有機材料主體的分子間弱相互作用更加適合多價離子的存儲，且高度可調(diào)的有機結(jié)構(gòu)賦予其新的離子反應(yīng)機制。然而，目前的水系鋅電解質(zhì)尚存在很大不足，例如水合[Zn(OH2)6]2+離子活性很高，會引起嚴重的副反應(yīng)及不均勻鋅沉積，以及有機電極的放電產(chǎn)物極性較高，易被自由水溶解，造成容量衰減。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究員崔光磊、副研究員趙井文和南洋理工大學(xué)教授張其春合作，采用水合鋅鹽加中性配體這種簡單、低成本配方，提出一種由丁二腈（SN）和六水合高氯酸鋅Zn（ClO4）2·6H2O組成的水合熔鹽鋅基電解質(zhì)，有效解決了鋅負極及有機正極在水系電解質(zhì)中副反應(yīng)和不可逆溶解的問題。電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，這種水合熔鹽鋅基電解質(zhì)有效抑制了金屬鋅負極的枝晶和副反應(yīng)，實現(xiàn)了鋅負極的長期循環(huán)穩(wěn)定性。光譜表征以及理論計算發(fā)現(xiàn)，丁二腈破壞了[Zn（OH2）6]2+溶劑化結(jié)構(gòu)并參與鋅離子的溶劑化。此外，被丁二腈替換掉的水分子仍被鋅離子的溶劑化層及被電解質(zhì)獨特的共熔結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所束縛而以類似結(jié)合水的“被束縛”狀態(tài)而存在。當(dāng)將一種含有硫的醌類聚合物聚（2, 3-二硫基-1, 4-對苯醌）（PDB）作為鋅離子電池的正極時，該水合熔鹽有效減少了有機正極的溶解。在0.3C的條件下，電池循環(huán)了3600次，容量保持率為85.4%。另外，當(dāng)溫度相繼降溫為-10℃和-20℃時，電池仍表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性并可輸出70 mAh gˉ1和40mAh gˉ1左右的容量，表明這種水合熔鹽電解質(zhì)有望在低溫環(huán)境中應(yīng)用。該研究為新型水系電解質(zhì)的開發(fā)及鋅-有機電池發(fā)展提供了新思路。
相關(guān)成果發(fā)表在《焦耳》（Joule）上，論文第一作者為青島科技大學(xué)楊武海、青島能源所杜曉璠。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院青促會、大連化物所-青島能源所融合基金等的支持。
水合熔鹽電解質(zhì)與傳統(tǒng)水系電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)對比示意圖
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