清华大学杨诚AEM：用于锌金属电池的多功能添加剂TMA

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水系锌金属电池（AZMBs）作为一种新兴的二次电池，因其成本低廉、资源丰富、不易燃、环境友好等特点受到广泛关注，但锌沉积/剥离过程的可逆性较低，严重制约了AZMBs的进一步发展。

电解质作为AZMBs的重要组成部分，对金属负极的电化学可逆性有着重要的影响。首先，根据Sand的时间模型，电解质/电极界面处局部电场分布不均匀必然导致锌沉积无序，从而缩短电池的使用寿命。另外，由于常规水系电解质主要为分子水，液相中的锌离子会以[Zn(H2O)6]2+的形式存在。锌离子溶剂化结构中的水分子化学性质活泼，因此在电化学反应过程中容易引起析氢反应，这种情况下会导致电极界面附近的pH值上升并形成副产物。

到目前为止，在解决充电电池中常见的枝晶生长问题方面已经取得了重大进展（如静电屏蔽和阳极结构设计）。遗憾的是，上述策略无法有效解决溶剂水带来的副作用。相比之下，水包盐电解质（WISEs）策略可以通过显著降低活性溶剂水的含量来避免阳极表面附近的盐的消耗。然而，WISEs也有同样的缺点，即过量的溶质不可避免地导致粘度激增和离子电导率显著下降。这大大降低了AZMBs的低成本和高倍率优势。由于现有解决方案的局限性，AZMBs与其他电池系统相比的固有优势尚未实现。目前，在水系电解质中实现Zn金属阳极的高可逆性仍然是一项具有挑战性的任务，需要进一步探索新的作用机制和先进的电解质材料。

清华大学杨程团队在稀氯化锌和硫酸锌电解液中引入季铵盐（三乙基甲基铵盐，TMA）阳离子作为电解液添加剂，在电沉积过程中，它不仅可以通过吸附在锌金属表面使锌沉积均匀化，还可以通过参与接触离子对的形成来抑制副产物的生成。该研究为开发高可逆性锌金属阳极提供了一种有希望的途径。

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Tukey 电解质中的双功能 TMA 阳离子示意图

图2 锌||锌对称电池的循环性能及表征

图3 锌钛半电池的电化学测定与表征

图4 电解质理化性质及光谱表征

Tukey 电解质的测定和表征

图6 Zn||MnO2全电池在ZnSO4基电解液中的电化学性能

关于作者

杨博士于南京大学获得学士学位，后于香港科技大学化学系获得博士学位，在布兰迪斯大学教授的指导下研究了纳米材料的合成和功能化，用于多功能复合材料。随后，他在香港科技大学机械工程系与袁明福教授合作，担任电子封装材料博士后研究助理。杨博士还曾作为客座研究员访问过佐治亚理工学院材料科学与工程学院，在黄清平教授的指导下进行研究。2011年9月，杨博士加入清华大学深圳研究生院，担任能源与环境系副教授。

文献链接

锌金属阳极。