中南李维杰/华工徐建铁ACS Nano：盐阴离子激活电解质共溶剂选择策略实现耐用锌金属负极

在水系锌离子电池中，抑制副反应和Zn枝晶生长的一种有效解决方案即在Zn(CF₃SO₃)₂电解质中添加助溶剂，助溶剂有可能形成由ZnF₂和ZnS组成的坚固固体电解质界面。然而，对于便捷的选择共溶剂的方法，能够直接反映溶剂与溶质之间的相互作用，从而合理设计电解质的溶剂化结构，目前还缺乏探讨。

在此，中南大学李维杰，华南理工大学徐建铁等人利用logP作为选择Zn(CF₃SO₃)₂电解质助溶剂的标准，并通过测试七种不同类型予以证明。logP值与盐阴离子CF₃SO₃^–相似的溶剂可以与CF₃SO₃^–、Zn²⁺和H₂O相互作用，导致电解质溶剂化结构的重建。为了证明这一概念，以乙酸甲酯 (MA) 为例，因为它的 logP 值与 CF₃SO₃^– 相似。

结果表明MA分子不仅进入CF₃SO₃^–的溶剂化壳层，而且还与Zn²⁺或H₂O配位，形成MA和CF₃SO₃^–参与的核壳溶剂化结构。特殊的溶剂化结构降低了H₂O活性，有助于形成阴离子诱导的富含ZnCO₃-ZnF₂的固体电解质界面。因此，含有MA电解质的Zn||Zn电池和Zn||NaV₃O₈·1.5H₂O电池表现出比不含MA电解质的电池更优异的性能。

图1. logP值与CF₃SO₃^–相近的共溶剂对电解质溶剂化结构和SEI形成过程的作用机理示意图

总之，该工作为合理设计Zn(CF₃SO₃)₂基电解质的溶剂化结构提供了简便有效的共溶剂选择标准(logP值)。通过logP定量研究了盐阴离子CF₃SO₃^–和共溶剂的亲水亲油性，将一种与CF₃SO₃^–具有相似两亲性的理想共溶剂(MA)引入到Zn(CF₃SO₃)₂电解质中。结果表明，MA分子可以被纳入到CF₃SO₃^–的溶剂化壳层中，不仅有助于MA的溶解，而且降低了CF₃SO₃^–的溶解度。

此外，MA分子还与Zn²⁺或H₂O配位，形成含有MA和CF₃SO₃^–的核壳溶剂化结构。独特的溶剂化有利于形成富含ZnCO₃-ZnF₂的SEI，并构建了一个重塑的H₂O氢键网络，从而降低了自由水分子的活性。以MA40为电解液的锌对称电池，在1 mA cm^-2, 1 mAh cm^-2的面积容量下，电池表现出极高的稳定性，使用寿命可达4600 h。Zn//MA40//NVO全电池在1 A g^-1下稳定运行500个循环，容量保持率为77.1%。

图2. 电池性能

Salt Anion Amphiphilicity-Activated Electrolyte Cosolvent Selection Strategy toward Durable Zn Metal Anode, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c08716