第一作者：Fei Wang
通讯作者：Chunsheng Wang、Kang Xu
第一单位：美国马里兰大学
自从1799年伏打电池问世以来，金属Zn由于具有较高的理论容量（820 mAh g
-1
）、较低的电势（-0.762V vs SHE）以及储量丰富、低毒和安全等诸多优点，被视为水系电池理想的负极材料之一。
图1. Ni-3D Zn电池
Joseph F. Parker, Debra R. Rolison etal. Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternativeto lithium-ion. Science 2017, 356, 415-418.
问题在于：在碱性水溶液中，金属Zn容易发生化学反应而产生低库伦效率、枝晶生长以及水消耗等问题，造成充放电不可逆等问题。即便在中性条件下，枝晶问题有所减缓，而低库伦效率仍然是一个重大问题。
有鉴于此，美国马里兰大学Chunsheng Wang和美国陆军研究实验室Kang Xu等人报道了一种基于高浓度Zn
2+
的水系电解质，实现了高库伦效率、无枝晶的高可逆金属Zn电池。
图2. 金属Zn负极测试
研究人员以1m Zn(TFSI)
2
和20m LiTFSI混合配置高浓度电解质，pH呈中性。这种独特的电解质配方确保了在近乎100%的库伦效率下几乎不生长枝晶。同时，在开放空气环境中，水量不会减少，这样，电池配置就不一定必须是密封型的。
图3. Li盐浓度的影响
研究人员分别以LiMn
2
O
4
和O
2
作为正极材料，与金属Zn负极组成全电池。基于LiMn
2
O
4
正极的金属Zn电池在循环4000圈后，实现80%的容量保留率，达到180 Wh kg
-1
。基于O
2
正极的金属Zn电池在循环200圈后，达到300 Whkg
-1
（按正极：1000 Wh kg
-1
）。
图4. Zn/ LiMn
2
O
4
全电池性能
图5. Zn/O
2
全电池性能
结构表征、谱学研究以及分子模拟综合表明，这种金属Zn电池的高度可逆性来源于高浓度水系电解质中Zn
2+
的溶剂化-保护层（solvation-sheath）结构。大量阴离子迫使它们涌向附近的Zn
2+
，形成离子对(Zn-TFSI)
+
，有效抑制(Zn-(H
2
O)
6
)
2+
的形成。
图6. 分子动力学模拟
总之，这项研究为金属Zn负极应用于水系电池开辟了全新的道路，并为其他类型的不可逆电池提供了借鉴！
Fei Wang, Kang Xu, Chunsheng Wang et al. Highly reversible zinc metal anode foraqueous batteries. Nature Materials 2018.
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