南开大学程方益：最新JACS！

水系锌电池（AZBs）是一种很有前景的大规模储能技术，因为它具有高安全性、材料丰富性和金属锌的固有优点（高理论容量和低氧化还原电位）等优势。然而，由于不稳定的负极/电解液界面导致锌负极的不可逆性阻碍了其发展。

在此，南开大学程方益研究员等人报道了使用环糊精（CD）分子（α-、β-和γ-CD）作为可充电锌电池的电解液添加剂的比较和机理研究。筛选一系列CD表明，α-CD由于抑制了析氢并降低了沉积势垒，从而促进了Zn电镀动力学并提高了循环稳定性。

作者结合显微镜、光谱学、DFT计算和MD建模提出了一种可能的α-CD作为电解液添加剂的锌枝晶抑制机制：在没有α-CD的情况下，水溶液和热力学不稳定的Zn负极之间的直接接触会引起腐蚀和HER，这种不稳定的锌/电解液界面会导致锌镀层不均匀且形成枝晶。相比之下，α-CD分子在Zn表面的吸附提供了一个保护层来减少H₂O的界面电子捕获，从而抑制H₂的释放并保持局部pH值。因此，α-CD添加剂有助于减轻不需要的水分解和氢氧化物沉积，并使锌负极的成核和镀层均匀。

图1. 锌负极的电化学测试和形态表征

因此，在具有10 mM α-CD的合理化的3 M ZnSO₄电解液中，Zn负极经历了受约束的H₂演变和加速的电镀动力学，最终发展成致密的沉积形态。作者基于对称Zn|Zn电池和非对称Zn|Cu电池证明了具有高电镀/剥离CE的Zn负极的可逆性显著增强。其中，基于10 mM α-CD添加剂的Zn|Cu电池可稳定运行1200小时，并在600次循环中提供99.90%的卓越平均CE。

此外，在α-CD添加剂的帮助下，由Zn负极和V₂O₅正极组成的全电池在3 A g^-1下800次循环后仍保持84.20% 的高容量保持率和稳定的CE，明显超过不含α-CD 的电池（32.12% 的容量保持率和CE波动）。重要的是，α-CD 添加剂策略在具有不同盐的各种水系电解液中是通用的。这一贡献将为探索功能性超分子材料提供新的思路，并为水系锌电池和类似电池的电解液设计带来新的见解。

图2. 有/无α-CD添加剂的锌电池电化学性能

Boosting the Kinetics and Stability of Zn Anodes in Aqueous Electrolytes with Supramolecular Cyclodextrin Additives, Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00551

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