摘要
相较于有机电解液，水系电解液具有多种优点，如离子电导率高、生产条件简单、安全性优异等。因此，水系电池受到越来越多的关注。其中，水系锌离子电池因负极金属锌具有储量丰富、氧化还原电位低(?0.76 V vs SHE)和理论容量高(820 mAh·g?1)等优点，在大规模储能系统中具有极大的发展潜力。但是金属锌负极循环过程中存在的枝晶生长及副反应等问题制约着其发展。本课题针对水系锌离子电池中金属锌负极现存的问题，从电解液调控与界面层构筑两方面展开研究，抑制枝晶生长、减缓界面副反应，提高金属锌负极的循环稳定性和利用率。 在电解液调控方面，引入四氢呋喃作为辅助溶剂，利用电化学测试及物理表征手段探究了四氢呋喃对于负极循环性能等的影响。研究表明，添加量 20%四氢呋喃的电解液能够显著提升锌负极的循环性能与库伦效率。Zn//Zn 对称电池在 0.5 mA?cm?2，0.5 mAh?cm?2 下仍能稳定循环超过 3200 h，Zn//Cu 半电池在0.5 mA?cm?2 下能稳定循环近 600 次且库伦效率接近 100%。此外，四氢呋喃能够提升锌离子电池的低温性能，?30℃下 Zn//VO2 电池仍能保持 50 mAh?g?1 的比容量。结合理论计算发现四氢呋喃作用机制如下：一方面四氢呋喃可以吸附在负极表面，尤其会特性吸附到 Zn(002)晶面上，起到“静电屏蔽”的作用，促进锌离子均匀沉积，从而抑制枝晶生长；另一方面四氢呋喃还能改变电解液中锌离子的溶剂化结构，抑制水分子的解离，降低副反应活性，结合负极表面吸附的四氢呋喃分子还能促进锌离子去溶剂化，以减少到达负极表面的溶剂化水分子，从而抑制负极表面的副反应。 在界面层构筑方面，利用原子层沉积技术(ALD)在锌负极表面成功设计并构筑了均匀的 Al2O3、polyurea 纯相界面层以及 Al2O3-polyurea 杂化界面，其中Al2O3-polyeur 杂化界面能够显著提升锌金属负极的电化学稳定性。在 1 mA?cm?2，1 mAh?cm?2 下对称电池能稳定循环近 1200 h 以上。理论计算表明，杂化界面层中存在垂直于负极表面的负电荷密度梯度，为锌离子规划“传输路径”，诱导锌离子去溶剂化与均匀沉积。因此，可以有效的抑制负极表面枝晶生长与副反应的发生。
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