锌(Zn)金属负极具有高理论容量(820mAh·g-1)、低氧化还原电位、储量丰富、安全性、环境友好性和低成本等优势,但由于副反应(析氢)和枝晶生长会降低库仑效率(CE)并限制循环寿命,可充电水系锌基电池(RAZBs)的发展受到了较大限制。电解液调控被认为是解决上述问题的有效方法。
目前,人们已经提出了许多有机助溶剂或添加剂来减缓副反应并构建稳定的锌负极,然而有机分子之间的随意选择和比较使研究更具挑战性。例如,不同的分子量水平和不同数量的官能团,可能会导致研究极性官能团的有效性有所偏颇。因此,更系统、更深入的研究对锌电池电解质的设计至关重要。
针对上述问题,本工作选取两个“同分异构分子”:1,2-二甲氧基乙烷(DME)和1-甲氧基-2-丙醇(PM)作为电解质中的助溶剂,它们具有相同的分子量和官能团数目,区别在于官能团种类不同,因此提供了独特的电化学性能。
实验和模拟研究表明,PM中的羟基(比DME中的醚基具有更高的分子极性)引起的偶极矩,重构了空间电荷区域,提高了Zn负极附近的Zn2+浓度,并原位衍生出不同的固态电解质界面(SEI)模型和电极-电解质界面,进而表现出优异的循环稳定性。值得注意的是,基于PM的Zn||Cu电池可稳定工作2000多个循环,其库伦效率高达99.7%。Zn||Zn对称电池在10mA·cm-2和20 mAh·cm-2的超高电流密度下,稳定循环超过200小时(放电深度达70%)。Zn||钒酸钠软包电池(具有6.3 mg·cm-2的高质量负载和24 mAh的高容量)在570小时测试内表现出优异的循环性能。这项工作为实用水系锌基电池的电解质设计提供了新的思路。