图1. 示意图：（a）液体 BE 中的界面湍流扰乱离子传输并加剧锌枝晶生长，以及（b）通过 CPE 减少界面湍流以调节离子迁移。Zn²⁺在（c）BE 和（d）CPE 的传输路径。Zn²⁺在（e）BE和（f）CPE中的相应计算能垒图。

  近期，南通大学钱涛团队提出了这一创新概念：界面湍流是实现均匀Zn²⁺流的关键障碍。如图1a所示，由于基础电解质（BE，2 M ZnSO₄水溶液）的流动性和HER，不可避免地会发生严重的界面湍流，这将进一步扰乱离子传输并加剧锌枝晶的生长。他们设计了一种新型的 CPE电解质以减少界面干扰。一方面，富含硅羟基的固定胶体颗粒可以提供均匀的Zn²⁺传输通道。另一方面，CPE可以从两个方面有效减少界面扰动，稳定Zn²⁺的传输路径：（1）其胶体-聚合物特性实现了锁定相取代流动相；（2）CPE改变了H2O活性从而有效抑制了HER。基于巧妙设计的CPE，可以同时实现Zn²⁺传输路径的构建和稳定（如图1b所示）。为了详细了解界面湍流，他们进行了密度泛函理论计算来模拟锌离子在BE和CPE中沿传输路径的定量传输能垒变化。显然，在具有流动性的BE中，计算得到的Zn²⁺迁移势垒经历剧烈波动，幅度变化很大，约为 1.6 eV（如图 1c和 1e所示），从理论上解释了界面湍流。与此形成鲜明对比的是，CPE 中Zn²⁺的传输势垒较小且更稳定，变化幅度较小，为0.35 eV（如图 1d和1f所示），表明 CPE 可以有效加速Zn²⁺的迁移并减少界面湍流。该工作以“Diminishing Interfacial Turbulence by Colloid-Polymer Electrolyte to Stabilize Zinc Ion Flux for Deep-Cycling Zn Metal Batteries”为题发表在《Advanced Materials》上。

图2. 不同电解质中的有限元模拟。

图3. 原位拉曼测试。

  计算分析（图2）和实验结果（图3）相结合表明，具有胶体锁定相和有效缓解（电）化学副反应的CPE可以减少界面干扰，并确保在高电流密度和容量的深循环中具有优异的界面稳定性。这些综合优点帮助实现了高面积容量（20 mAh cm^-2）和高电流密度（100 mA cm^-2）的Zn//Cu电池和N/P比低至1的Zn//NVO全电池的优异电化学性能（图4）。该策略为深度可充电ZMB甚至其他具有高面积容量和电流密度的水性电池系统提供了有效策略。

图4. Zn//Cu电池以及Zn//NVO全电池的性能测试。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200131

课题组介绍：

  钱涛，南通大学特聘教授。2014于南京大学获得博士学位后加入苏州大学能源学院，2021年受聘南通大学化学化工学院组建DT Energy团队。主要从事材料界面精准设计在新型能量存储与转换体系中的应用研究。在锂-硫电池、锌-空气电池、氮气还原等电化学系统的关键材料合成、原位分析器件设计及构效关系研究方面取得多项创新成果。以第一或通讯作者在Nature Catalysis, Nature Communications, Advanced Materials等国际高水平期刊发表学术论文80余篇。课题组诚招具有有机材料合成、有机/无机复合材料合成研究经历的青年教师、博士后研究人员共同发展，将提供极具竞争力的待遇。