含环丁砜的电解质水溶液，用于生产高效安培小时水平的锌金属电池袋电池

水性锌金属电池是电网储能的有吸引力的候选者。然而，锌金属负极的电化学可逆性不足抑制了大规模电池水平上的电池性能。在这里，我们通过对电解质溶液进行工程设计，开发了实用的安培-小时规模的水性锌金属电池袋电池。在确定质子还原是锌金属电沉积过程中析氢的主要来源后，我们设计了一种含有反胶束结构的电解质溶液，其中环丁砜分子将水约束在纳米畴中以阻碍质子还原。此外，我们开发并验证了一种电化学测试方案，以全面评估电池的库仑效率和锌金属电极的循环寿命。最后，使用反胶束电解质，我们组装并测试了一种实用的安培小时Zn||Zn0.25V2O5•nH2O多层袋状电池，该电池能够提供70的初始能量密度 瓦时 L−1（基于电池组分的体积），在56下390次循环后的容量保持率约为80% 妈妈 g−1阴极和~25 °C，并在56℃下长时间循环5个月 妈妈 g−1阴极和~25 °C。



介绍

长期、低成本、高能量密度和安全的储能技术对于将间歇性可再生能源整合到未来的脱碳格栅中至关重要，1，2，基于锌金属（Zn0）阳极和弱酸性电解质的水性锌离子电池被认为是有前途的候选3，4，5，6。然而，锌离子电池在实际配置和形状因素（如大袋电池）中的寿命受到Zn0阳极在弱酸性电解质（如三氟甲磺酸锌（Zn（OTf）2）和3≤pH≤5.5的ZnSO4电解质溶液中的严重不可逆性的限制7，8，这导致严重的H2气体析出9，连续的死Zn（即，电或离子惰性的负电极区域）积聚10，以及不受控制的枝晶生长6，11。



尽管为解决这些不可逆性问题付出了大量努力5，9，12，13，14，15，16，但在这一过程中，有两个关键问题被严重忽视。一种是在Zn0电沉积时与质子（通过水水解形成）还原相关的H2共进化。正在进行的工作集中在开发抑制水减少的策略上，例如，原位/非原位固体电解质界面（SEI）设计5，13，14，15和高浓度电解质9，12，13，16。虽然在弱酸性溶液中，质子还原在热力学和动力学上都比水还原更有利17，18，19，但很少在水性锌离子电池中进行研究。这种被忽视的不可逆反应在小尺寸硬币细胞中可能仍然不明显，但在大尺寸细胞8中不可避免地会变得明显，例如安培-小时规模的袋状细胞。因此，有效抑制质子还原对于实现Zn0阳极的高可逆性更为重要。



另一个问题是，在不对称电池（例如Zn||Cu电池）中观察到的高库仑效率（CE）3，20，21并不一定表明实际电池3，22中Zn0阳极的高可逆性，其中Zn2+电还原过程通常包括可逆的Zn0沉积和副反应，包括H2共析，分离的Zn（金属态，由树枝状Zn0失去与集电器的电连接而形成）23，24，以及形成电化学非活性的Zn基化合物（例如ZnO）5，9。H2的共同进化和非活性Zn基化合物的形成导致电荷的永久损失，而分离的Zn可以回收并在随后的汽提过程中贡献额外的容量24。此外，Zn0阳极在实际电池环境中的可逆性在很大程度上取决于Zn0沉积的形态3。因此，定量区分每个寄生因素对CE的贡献，并全面描述Zn0阳极的整体可逆性，是实现Zn0在实际电池中高利用率的先决条件。



在这里，我们设计并制备了一种电解质水溶液，其中环丁砜用于通过形成“反胶束”核壳结构来分离纳米结构域中的水。反胶束电解质（RME）能够抑制质子还原并改善锌金属负极的电化学镀/剥离。我们还开发了一种电化学测试方案，用于正确评估CE，并半定量区分