水系鋅離子電池(AZIBs)因其固有的安全性、成本效益和環(huán)境友好性而受到廣泛關(guān)注。然而，它們在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用受到不可控的枝晶生長和電極-電解質(zhì)界面嚴(yán)重副反應(yīng)的阻礙。

在此，中南大學(xué)梁叔全教授&周江教授&唐艷副教授團(tuán)隊(duì)提出在ZnSO₄電解質(zhì)中加入三價釔(Y³⁺)離子，它可以在Zn負(fù)極上形成陽離子靜電屏蔽層，以調(diào)節(jié)Zn²⁺離子的沉積行為。具有較低有效還原電位的惰性Y³⁺離子將選擇性地吸附在活性位點(diǎn)上，通過持續(xù)的動態(tài)靜電屏蔽效應(yīng)促進(jìn)均勻的鋅沉積。

此外，吸附的Y³⁺離子可在Zn負(fù)極表面形成保護(hù)層，減輕水分子引起的腐蝕反應(yīng)。因此，具有0.1 M Y³⁺離子的Zn//Zn電池在5 mA cm^-2下表現(xiàn)出2080小時內(nèi)無枝晶的Zn電鍍/剝離，同時組裝的Zn//NH₄V₄O₁₀電池在5 A g^-1下循環(huán)2000次后高容量保持率為89.6%。

圖1. Y³⁺對鋅沉積行為的影響

總之，該工作提出了一種無毒、經(jīng)濟(jì)高效的稀土金屬離子添加劑引入ZSO電解質(zhì)中以實(shí)現(xiàn)高性能AZIB。引入的Y³⁺離子自發(fā)吸附在Zn負(fù)極表面并形成動態(tài)靜電屏蔽層，有助于均勻的Zn沉積并抑制副反應(yīng)。此外，Y³⁺離子表現(xiàn)出自我調(diào)節(jié)的重新分布行為，確保了靜電屏蔽層的靈活性和可持續(xù)性。正如預(yù)期的那樣，具有0.1 M Y³⁺離子添加劑的Zn//Zn對稱電池可以在5 mA cm^-2的高電流密度/2 mAh cm^-2的容量密度下運(yùn)行超過2080小時。

特別地，使用改性電解質(zhì)組裝的Zn//NVO電池具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g^-1下循環(huán)2000次后容量保持率為89.6%。因此，該策略擴(kuò)大了AZIB中稀土添加劑的可能性，促進(jìn)了先進(jìn)電池系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

圖2. 全電池的電化學(xué)性能

A dynamic electrostatic shielding layer toward highly reversible Zn metal anode，Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102949