緩慢的傳輸動(dòng)力學(xué)和不穩(wěn)定的電極界面熱力學(xué)是阻礙水系鋅金屬電池發(fā)展的主要原因。

在此，深圳大學(xué)張培新，馬定濤等人提出了微量添加劑介導(dǎo)的疏水結(jié)構(gòu)編輯的概念，通過添加三官能兩性聚（丙烯酸）（PAA）來重建Zn²⁺溶劑化結(jié)構(gòu)，并在電極表面原位自組裝化學(xué)吸附層。具體而言，Zn²⁺的運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)可以通過與電離的PAA分子鏈協(xié)調(diào)而得到增強(qiáng)。

此外，該疏水界面可以避免H₂O與電極直接接觸，從而抑制副反應(yīng)和溶解。因此，在5 mA cm^–2下電池表現(xiàn)出8232 mAh cm^–2的高容量，并且在-25和60°C下壽命分別延長了60和35倍。

圖1. 作用機(jī)制示意圖

總之，該工作展示了通過微量添加劑介導(dǎo)疏水結(jié)構(gòu)編輯實(shí)現(xiàn)了水系鋅金屬電池寬溫度長期運(yùn)行。針對動(dòng)力學(xué)緩慢、尤其是在低溫條件下的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)，可以通過調(diào)節(jié)水合Zn²⁺的配位環(huán)境來提高Zn²⁺的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)活性。而對于電極界面不穩(wěn)定的反應(yīng)熱力學(xué)，特別是在高溫條件下，通過原位自組裝形成的疏水吸附層可以解決這一問題。

因此，Zn電極在高電流密度5 mA cm^-2下展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，壽命達(dá)到3293小時(shí)。在極端溫度環(huán)境下，循環(huán)壽命也得到顯著延長，-25°C和2 mA cm^-2條件下提高了60倍，60°C和0.5 mA cm^-2條件下提高了35倍。此外，基于ZnV₂O₄的水系全電池，在5 Ag^-1條件下經(jīng)過1500個(gè)循環(huán)后仍能保持327.65 mAh g^-1的高比容量。

總之，與單功能人工界面和電解質(zhì)修飾方法相比，PAA可以在負(fù)極表面實(shí)現(xiàn)吸附層和類固體電解質(zhì)(SEI)界面的形成，并重構(gòu)Zn²⁺的溶劑化結(jié)構(gòu)。更重要的是，PAA優(yōu)化了電池在各種氣候條件下的表現(xiàn)，提高了商業(yè)應(yīng)用前景。

圖2. 電池性能

Trace-Additive-Mediated Hydrophobic Structure Editing of Aqueous Zinc Metal Batteries for Enabling All-Climate Long-Term Operation, ACS Energy Letters 2023 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01872