可充电锌金属电池已被视为一种极具前景的能源存储技术，其发展潜力在很大程度上依赖于稳定的锌阳极。准确理解和衡量电池内Zn²⁺电荷传输动力学对于揭示和优化决速步至关重要，这也是实现实用化的高倍率和高效能锌金属电池的关键。

香港城市大学支春义团队联合悉尼大学裴增夏团队首次揭示，固态电解质界面内的Zn²⁺传输是嵌锌型锌金属电池内载流子传输动力学的决速步。从精心设计的界面化学中实现了增强Zn²⁺传输动力学，应用于软包电池能实现高设备级比能量和卓越的耐用性。这项研究为锌金属阳极的界面构建开辟了一个合理的途径，使锌金属用于能量密集、高倍率和稳定的能源存储设备。

相关成果“Solid-electrolyte interphase governs zinc ion transfer kinetics in high-rate and stable zinc metal batteries”发表在2024年8月21日的Chem期刊上。论文通讯作者是支春义、裴增夏；第一作者是郭寻博士。

可充电锌金属电池因其成本效益高且安全性好，已成为备受关注的能源储存技术。锌金属电池全部潜力的实现在很大程度上依赖于稳定的锌阳极。目前，锌阳极的使用受到其较差的可逆性和短路问题的严重限制，这些问题主要由寄生反应（例如电解液分解、钝化）和锌剥离/镀层反应过程中臭名昭著的枝晶问题引起。基于固态电解质界面的改性被认为是最成功的策略，近几年来一直广泛地被研究和利用。有效的固态电解质界面可以同时实现锌阳极在电池循环过程中的高稳定性和高利用率，这对于构建高能量密度和可靠的锌金属电池至关重要。但固态电解质界面的存在对Zn²⁺的界面行为有着巨大和多方面的影响，对在固态电解质界面中穿行的Zn²⁺电荷转移动力学的理解仍不可知。目前还没有工作严格地衡量固态电解质界面层中的Zn²⁺与其他步骤的传输动力学。显然，识别上述连续过程中的决速步对于理解Zn²⁺传输动力学，以及指导设计具有增强的Zn²⁺传输的电极和电解液至关重要。

在这项工作中，研究团队证明了嵌锌型锌金属电池中Zn²⁺电荷传输动力学的决速步是固态电解质界面内的阳离子传输。首次证明在调整后的固态电解质界面中独特形成的高Zn²⁺导电的Zn₃N₂物种在促进Zn²⁺传输和缓解锌枝晶生长方面优于ZnF₂。配备这种增强的固态电解质界面化学，软包电池展现出显著提高的倍率能力和更高的循环稳定性。此外，在应用型软包电池中实现了高达72%的锌阳极利用率和基于阴极和阳极（包括其事实上的集流体部分）的118.6 Wh kg^-1的设备级比能量。这项工作预计将激发未来合理化固态电解质界面设计，以实现能量密集、高倍率和稳定的锌金属电池。

图1：全电池中Zn²⁺载流子的完整传输示意图。

图2：酰胺分子的性质和电解液溶剂化结构分析。

图3：电解液性质和锌沉积/剥离行为。

图4：表面形貌和固态电解质界面传导性。

图5：全电池中Zn²⁺传输动力学的决速步鉴别。

图6：全电池的电化学性能。

这项研究通过对水性和有机电解液中各种关键过程中Zn²⁺传输动力学的全面对比分析，首次揭示了嵌锌型锌金属电池中电池内Zn²⁺传输的决速步是固态电解质界面内的阳离子运输。基于优化的固态电解质界面化学所带来的增强的Zn²⁺传输动力学，软包电池展现出超过了常用水性电解液、显著改善的倍率能力，并且在长循环过程中保持了更高的循环稳定性，容量衰减极小。大尺寸的实用型软包电池还实现了72%的高锌阳极利用率和118.6 Wh kg^-1的设备级比能量，并在1.4:1的低N:P容量比条件下进行。鉴于固态电解质界面增强的电荷转移策略的广泛适用性，该研究有望为能量密集、高倍率和稳定的多价金属阳极的界面构建开辟一条合理化的途径。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.07.028