南洋理工范红金，EES！芳香分子添加剂与锌金属电池的构效关系分析

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-11-06 08:18

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水系锌离子电池（AZIBs）因具有内在的安全性、低成本、环保性以及较高的体积和比容量而备受关注。然而，锌金属负极上的析氢反应和腐蚀问题，以及不均匀的锌沉积引发的严重枝晶生长等问题均阻碍了AZIBs的实际应用。

在此， 南洋理工大学范红金团队 通过引入芳香族路易斯碱分子作为电解液添加剂来调控锌沉积和抑制副反应。研究发现，添加剂分子的结构-活性关系对其吸附构型和抑制锌枝晶/腐蚀效果至关重要。特别是，嘧啶（Pym）分子以其两个氮原子处于间位的平行吸附构型，在锌表面形成了最佳的吸附层，有效抑制了副反应并提高了反应动力学。因此，优化后的锌对称电池和锌||钒酸盐全电池均展现出了卓越的长期循环稳定性。

图1. 不同分子构型在锌/电解液界面的调节机制

总之，该工作通过使用一系列含有孤对电子的路易斯碱性分子来调控电极/电解液界面进而提高锌沉积和剥离的可逆性。研究显示，分子结构的细微差别会导致最佳的吸附构型和物理化学性质，其中嘧啶（Pym）分子通过其平行吸附构型，有效地抑制了副反应，并通过暴露的锌亲性位点促进了锌离子的均匀沉积和快速反应动力学。

因此，使用Pym分子添加剂的锌/电解液界面不仅能够抑制锌负极的腐蚀和HER，而且能够提高锌离子的扩散动力学，从而实现了稳定的锌负极和快速的正极反应动力学。因此，该工作为设计高性能、低成本的水系锌离子电池提供了重要的见解。

图2. 含Pym添加剂的电解液中锌-钒酸盐全电池的电化学性能

Understanding the Structure-Activity Relationship of Additives for Durable Zn Metal Battery: A Case Study of Aromatic Molecules, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d4ee03232b

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