清华大学周栋副教授AM：微相分离“油包水”电解液实现高可逆锌负极

研究背景

水系锌金属电池（ZMBs）因其成本低廉、环境友好、锌负极高比容量等优点受到广泛关注。然而，锌金属负极表面的析氢反应、腐蚀和枝晶生长严重缩短了ZMBs的循环寿命。研究人员提出了多种电解液改性方法以提高锌沉积/剥离的可逆性。向水溶液中添加有机共溶剂（如乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺等），可以破坏水分子之间氢键网络，降低水活度，并改变Zn 2+溶剂化结构，减轻副反应。然而，这可能造成高脱溶能垒，阻碍界面反应动力学，枝晶问题无法根治。另一类方法通过添加少量表面活性剂在负极表面形成吸附层，可以在一定程度上抑制析氢和腐蚀，但这种保护层不足以持久组织电解液体相中大量自由水分子引起的副反应，ZMBs的循环寿命受限。因此，开发实现高可逆ZMBs的电解液具有挑战性。

研究内容

基于此，清华大学深圳国际研究生院周栋副教授在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“‘Water-in-Oil’ Electrolyte Enabled by Microphase Separation Regulation for Highly Reversible Zinc Metal Anode”的文章。该文章提出了一种电解液微相分离策略，可以同时调节电解液体相和负极界面的水分子，以实现高可逆锌负极。利用正丁醇（NB）和琥珀磺酸二辛酯钠（AOT）的协同作用，构建了一种反胶束结构的“油包水”（W/O）电解液。其中胶束外的NB破坏了水分子之间的氢键相互作用，抑制了负极表面的析氢反应。理论计算和实验研究证实，胶束在电场作用下表现出定向运动和可逆破乳，实现了快速脱溶动力学。由于电解液体相和负极界面水分子的协同调节，该W/O电解液在6000次循环中实现了99.76%的高库仑效率，并且制备的Zn||V 10O 24·12H 2O（VOH）全电池具有超1800次的长循环寿命。这些关键发现有望推动实现高可逆锌负极的电解液设计发展。

图1. W/O电解液的构建

图2. W/O电解液的溶剂化结构

图3. 抗腐蚀性能和锌沉积/剥离行为研究

图4 AOT的吸附行为研究

图5. 锌沉积/剥离的电化学性能

图6. Zn||VOH全电池性能

结论

本工作开发了一种W/O电解液来实现ZMBs的长期循环稳定性。NB和AOT的协同作用导致了电解液体相中微相分离的反胶束结构。胶束外层的NB破坏了水分子间的氢键，从而抑制了锌负极表面的质子还原反应。此外，电场作用下W/O胶束定向迁移和可逆破乳，加速了脱溶动力学，促进均匀沉积而不形成枝晶。此外，AOT分子对锌负极极表现出很强的亲和力，促进了选择性吸附界面层的形成，将游离水从体相中分离出来，从而实现了抑制界面副反应和高电池循环稳定性。W/O电解液的设计使锌金属电极在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²的条件下表现出稳定的沉积和剥离，持续超过5500小时。该研究为电解液结构设计和电极界面调节提供了重要的见解，有助于开发高性能ZMBs。

通讯作者简介

周栋副教授：清华大学深圳国际研究生院副教授、博士生导师。长期致力于极端环境用二次电池及其关键材料开发。在Nat. Energy.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文80余篇，被引9000余次，申请中国专利五项，入选国家高层次青年人才、全球前2%顶尖科学家（2020-2024）、日本JSPS Fellowship、澳大利亚DECRA Fellow，获得广东省自然科学一等奖（2019）、第三届广东省材料研究学会青年科技奖（2024）。担任中国复合材料学会新型电池分会委员；eScience、Energy Material and Devices等期刊青年编委。欢迎优秀博士后加入周栋课题组从事科学研究，有意者请联系zhou.d@sz.tsinghua.edu.cn

来源：高分子科学前沿

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