摘要
锌离子电池具有高安全性，较高的比容量和能量密度，制造成本低等优点，引起了科研人员的广泛关注。然而，充放电过程中的容量衰减、内部短路和安全问题阻碍了锌离子电池技术的广泛应用和发展。这些问题主要源于锌阳极的析氢反应、锌腐蚀和枝晶的形成，从而导致锌金属阳极的低可逆性。因此，本文旨在通过解决锌阳极枝晶生长以及副反应等问题，实现锌阳极-电解质界面的优化。为此，本文从两方面开展工作：一是锌阳极保护，二是电解质改性，并对改性后的电池电化学性能进行研究。接下来将详细介绍具体的研究工作： （1）该研究提出了一种表面保护策略，即在锌阳极表面引入疏水性聚偏二氟乙烯和纳米碳化硅复合保护涂层（PVDF-SiC），以协同抑制副反应和锌枝晶的形成。PVDF 的引入提高了锌阳极在固液界面的疏水性，有效地避免锌阳极与水接触发生的副反应，同时提高锌阳极的可逆性。纳米碳化硅颗粒具有高孔隙率和小孔径，能够调控表面电场，从而促使锌的均匀沉积，有效地抑制锌枝晶的生长。因此，疏水性PVDF-SiC@Zn对称电池在电流密度为1 mA cm-2，电镀容量为0.25 mAh cm-2的条件下，循环780 h后表现出稳定的过电位（小于 40 mV）。且PVDF-SiC@Zn//V2O5-GO全电池在400次循环后表现出68%的容量保持率。 （2）设计了一种通过λ-角叉胶和丙烯酰胺的物理/化学交联形成的原位凝胶电解质（CPZ），以优化锌阳极-电解质界面。这种原位凝胶电解质有效地抑制自由水分子的电化学活性，从而成功避免副反应的发生。此外，CPZ中的硫酸根自由基（SO4-·）起到重要作用，促进锌原子优先沉积在（002）晶面上，有助于实现无枝晶和可逆的锌电镀/剥离过程。采用 CPZ凝胶电解质组装的 Zn//Zn对称电池可实现5500 h的超长循环，Zn//Cu不对称电池的平均库仑效率达到99.37%。同时，采用CPZ凝胶电解质组装的 Zn//V2O5-GO全电池在5A g-1的电流密度下，经2100次循环后仍具有94.5%的放电比容量以及优异的倍率性能。 （3）受到上一章节的成功启发，本章进一步设计了一种通过 k-角叉胶、明胶和丙烯酰胺物理/化学多重交联的原位凝胶电解质（ GCP）。旨在深入探究多重交联原位凝胶电解质对阳极-电解质界面稳定性能的影响。该凝胶电解质能有效抑制自由水分子的电化学活性，从而阻止副反应的发生，显著提升锌离子电池阳极的使用寿命。此外，GCP凝胶电解质具有较高的离子电导率和吸液率，有助于引导锌离子沿（002）晶面均匀沉积，从而抑制枝晶生长。在 GCP 凝胶电解质的作用下，Zn//Zn对称电池能够稳定循环2200小时。而Zn//Cu不对称电池实现超过4500圈的可逆锌电镀/剥离（平均库仑效率为 99.56%）。在3 A g-1的电流密度下，经过2000圈循环后，采用GCP凝胶电解质组装的Zn//V2O5-GO全电池表现出比ZnSO4电解质更高的比容量和长循环稳定性能。 综合以上研究，通过阳极保护和电解质改性实现锌阳极-电解质界面的优化，提升电池循环稳定性和比容量，这为实现商业化锌离子电池提供可行策略，具有实用价值。
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