锂离子电池已成为便携式电子、交通运输和电网存储应用中普遍存在的商品。然而，随着我们在这些行业对锂离子电池的依赖性日益增强，暴露了锂离子电池在安全性、能量密度和成本方面的不足，而关键元素的储备量有限。锌金属电池因其高容量(5,855 mAh cm-3)、无毒、相对较高的丰度和较低的成本而成为一种有极具前途的替代电池。与非水电解质相比，锌与水系电解质结合可提供了更快速的动力学和高安全性。在可充电锌电池中，大多数努力都致力于寻找作为锌离子(Zn2+)插入或氧气/空气转换主体的正极材料。然而，Zn0电极在宽pH范围内的重复电镀/剥离过程中存在严重的不可逆性，即使在高ZnCl2浓度下，Zn2+与水之间的吸引力也会导致低库仑效率（CE）。在局部高pH区，水分解形成Zn(OH)42-(锌酸盐)，随后转化为不溶性和电化学惰性的ZnO。此外，Zn(OH)42-和ZnO基沉积的不均匀形貌导致枝晶生长，影响循环寿命和安全性。
鉴于此，来自于美国马里兰大学的王春生、美国陆军研究实验室许康等人报道了一种含烷基铵盐添加剂的稀酸性水系锌电池，该电解质有助于形成稳定的Zn2+传导和防水的SEI膜。这种电解质的发展和对烷基铵作用的基本认识，可为锌化学的发展开辟了一条新的道路。该研究以题为“Fluorinated interphase enables reversible aqueous zinc battery chemistries” 的论文发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。
文章亮点：(1)使用三氟甲烷磺酸铵作为添加剂有效增强了Zn镀层/剥离的库伦效率(从87.6%到99.9%)。同时也原位生成了一种含氟的疏水界面相，既可以传导Zn2+还可以抑制析氢反应。更重要的是这种原位形成的界面相可抑制枝晶生长达6000个循环。(2)将该电解质用于不同的电池体系均表现出优异的电化学性能(组装的Zn||VOPO4电池能量密度可达到136 Wh kg-1，在循环6000圈之后，容量保留率仍为88.7%；组装的Zn||O2电池能量密度可达到325 Wh kg-1和大于300圈的循环；组装的Zn||MnO2全电池能量密度可达到218 Wh kg-1，同时循环1000圈之后容量保留率为88.5%)。(3) 该电解质还允许组成的Ti||ZnxVOPO4无阳极软包电池在100％深度放电的情况下可逆操作100个循环，从而使水系锌电池未来的实际应用变为可能。
图1 不同电解液的电化学性能
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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