第一作者：赵伊凡 单位: 中国科学院上海高等研究院, 宁波诺丁汉大学

通讯作者：杨辉*，何冠杰*

单位：中国科学院上海高等研究院，伦敦大学学院

研究背景

作为能源转型中的大型储能技术有力后备军之一, 水系锌离子电池, 面临在大规模生产中由于锌离子缓慢及不均匀沉积导致的锌负极可逆性较差的难题. 为了解决这一难点, 许多科研工作者已经开发了许多固态电解质界面并应用到了锌离子电池中, 通过有效隔离电解液和锌金属负极来抑制副反应, 从而提高电池的循环寿命和效率。但是这一策略到目前仍存在难形成,难稳定的挑战, 所以探究简单便捷的形成机制及可自我更新的固态电解质界面是非常有必要性的. 本篇文章就近期研究固态电解质界面问题的工作进行了总结, 提出了一种新型简易的电池/电解液界面形成机制和具有高机械性能的有机无机复合固态转凝胶态电解质层, 并就其可自我更新的机制进行了讨论. 本文对未来锌离子电池的研究特别是提升负极稳定性及可逆性提供了方向, 有助于加快对可自我修复的固态电解质层在电池领域的实际应用.

文章简介

近日，来自中国科学院上海高等研究院的杨辉教授与伦敦大学学院的何冠杰教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie - International Edition上发表题为“In-Situ Self-respiratory Solid-to-hydrogel Electrolyte Interface
Evoked Well-Distributed Deposition on Zinc Anode for Highly Reversible Zinc-ion
Batteries”的文章。本篇文章提出了一种新型简易的电池/电解液界面形成机制和具有高机械性能的有机无机复合固态转凝胶态电解质层, 并就其可自我更新的机制进行了讨论(图1).为未来设计复合型可自我更新式电解质界面提供了方向.

图1. 原位可自我更新性固态转凝胶态电解质层的形成机理,及有机组分和锌离子形成的可能的配位方式.

本文要点

要点一：原位构建有机无机复合固态电解质界面的新型机制

通过前置涂覆层,与电解液中锌离子的原位化学反应,成功在锌负极表面构建了一个有机和无机复合的固态电解质界面. 与大部分水系锌离子电池中固态电解质界面形成的机制不同, 此方法消弭了对电解液LOMO能级的考虑, 以更直接且便捷的方式构建了一个复合型具有高机械性能的界面, 隔绝水分子的同时能够延长此界面对锌负极的保护, 有效减少其分解或破裂的可能, 达到提升锌负极稳定性的作用.

要点二：离子桥及电极表面的网状交联结构诱导快速均匀锌离子沉积

通过选择合适的有机组分, 使其具有与锌离子有效配位的能力, 通过配位作用在锌负极表面形成一个由锌离子作为离子桥并和有机物构成网状交联结构的界面层. 作为交联结构中的锌离子不仅作为结构的交联剂，还可以作为载流子，参与离子的传导。因此，交联结构不仅提供机械支撑，还促进了离子传输。同时,我们发现锌离子是以细小均匀且紧密的方式进行沉积, 大大减少了副产物及锌枝晶的形成. 也正是因为有机物与锌离子的相互作用, 使得界面层从固态转换成了凝胶态.

要点三：化学与电化学反应共同激活可自我更新式的电解质界面

在电池的循环过程中, 构建的界面层中的无机组分发生了变化,通过较为缓慢的化学反应初步形成的碱式碳酸锌类似于传统意义上的中间产物, 但是通过探究我们发现, 碱式碳酸锌并不会完全分解, 也就是说, 它会一直存在于电极/电解液界面层的环境中. 随着电池循环中的充放电过程部分分解转化实现自我更新与修复的作用. 这一发现为解决固态电解质层稳定性差的问题提供了新的思路.

要点四：启发与展望

本研究为进一步稳定锌电极的化学性质开辟了新途径，主要通过以下三个方面：
(1) 促进有机-无机复合电解质层的普适性，探究有潜能的有机无机组分有助于提高固态电解质层的效能并提升电池的稳定性；(2) 将前置涂覆与原位合成方法相结合，强调多种策略的结合对于成功应用于水系锌离子电池（AZIB）的重要性；(3) 寻找使界面层在水系系统中实现自我更新修复的方法，从而有效缓解AZIB在实际应用中锌负极严重腐蚀的问题; (4) 合理的设计固态电解质层结构, 无论对电极表面电场分布的均一性, 以及锌离子的扩散效率还有倾向的沉积方式都有巨大的作用.

文章链接

‘In-Situ Self-respiratory Solid-to-hydrogel Electrolyte
Interface Evoked Well-Distributed Deposition on Zinc Anode for Highly
Reversible Zinc-ion Batteries’

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202415251

通讯作者简介

杨辉研究员简介：杨辉研究员是中国科学院上海高等研究院的资深研究员，长期从事新型储能技术和电催化剂的研究。他的团队主要聚焦于水电解制氢及新型储能电池等相关领域，尤其是在开发高效电催化剂和优化膜电极结构方面取得了显著的进展。杨辉的团队最近在质子交换膜水电解方面取得了重要突破，提出了一种新型有序结构MEA，这种结构能够在低铱（Ir）用量下实现高效制氢。这一创新通过使用纳米压印技术结合三维膜/催化层界面设计，显著提高了催化剂的利用效率，同时降低了传质和电催化的极化效应。这一研究有望降低PEMWE系统的成本，加速其商业化进程。此外，杨辉担任了多个国家重点项目的负责人。凭借其在氢能和储能技术领域的贡献，他获得了国务院特殊津贴，是中国可再生能源学会氢能专业委员会的副主任委员等.

何冠杰教授简介: 何冠杰教授是英国皇家化学会会士, IOM3协会会士, 伦敦大学学院化学系的副教授，长期致力于储能材料和电催化领域的研究。他的主要研究方向包括水系电池、电催化材料与器件以及先进的表征和模拟技术。他的研究团队尤其关注高效、可持续的储能技术，并在电解液调控及电池界面稳定性方面取得了重要成果。截至目前，何教授已在多个顶尖期刊上发表了超过100篇学术论文，包括《Joule》、《Nature
Communications》、《Journal of the American Chemical
Society (JACS)》、《Advanced Materials》和《Angewandte Chemie International Edition》等。他的研究被引用超过10000次，h因子为61，展现出其研究在全球范围内的深远影响力.