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可充水系鋅電池是未來儲能裝置有希望的候選者，但仍存在可逆性低、不受控枝晶生長和電化學窗口窄等諸多缺點。有機電解質理論上可以解決鋅負極的熱力學不穩定性，但由于其離子電導率差，因此以犧牲高倍率性能為代價。

上海交通大學王久林等設計了一種結合熱力學穩定的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶劑和Cu²⁺添加劑的新型電解液體系(Cu²⁺-DMF)，以提高鋅負極的穩定性和倍率能力。

圖1 對稱電池性能

所得DMF電解液具18.9 mS cm^-1的高離子電導率，并可以通過Cu²⁺電化置換Zn構筑穩定的Cu-Zn合金界面相，因此在5.0 mA cm^-2/5.0 mAh cm^-2和10.0 mA cm^-2/10.0 mAh cm^-2的高電流密度下分別實現了1400小時和235小時的長期循環壽命。

新設計的電解液可使Zn||Zn對稱電池在20.0 mA cm^-2/20.0 mAh cm^-2的高電流密度下穩定循環，并獲得99.60 %的優異庫倫效率、高熱穩定性和腐蝕抑制。

圖2 鋅負極在不同Cu²⁺含量下的形貌

此外，由于穩定的Cu-Zn合金界面以及能夠實現均勻成核的Cu(DMF)₄²⁺和Zn(DMF)₄²⁺復合物的形成，在不同的電流密度下觀察到均勻、多孔和非樹枝狀的 Zn沉積形態。

作為概念驗證，基于DMF電解液的Zn||δ-MnO₂全電池在低和高正極負載下均表現出高度穩定的循環和出色的容量保持率。這項工作有望進一步推動鋅電池研究，探索高壓正極并開發僅基于Zn²⁺反應的高性能鋅離子電池。

圖3 全電池性能

Zn Anode Sustaining High Rate and High Loading in Organic Electrolyte for Rechargeable Batteries. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.01.043

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上交王久林EnSM：DMF基有機電解液助力鋅負極高倍率穩定循環

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