Nature子刊：不长枝晶的长寿命金属锌电池！

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Zn²⁺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LiMn₂O₄和O₂作为正极材料，与金属Zn负极组成全电池。基于LiMn₂O₄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O₂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/ LiMn₂O₄全电池性能

图5. Zn/O₂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Zn²⁺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Zn²⁺，形成离子对(Zn-TFSI)⁺，有效抑制(Zn-(H₂O)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.

为方便优秀科研工作者之间交流合作，纳米人正式开放1个导师交流微信群，原则上要求教授职称，以青千、优青、青年长江、杰青、长江为主。目前已有数十位加入，需要加入的请联系编辑微信：1550304779（纳米人）。备注：实名-单位-职称。

纳米人全球招募学术管理人

纳米人是由海内外青年科研工作者共同成立的科研交流平台，包括纳米人微信公众号、官方网站以及数十个微信群和QQ群。平台以纳米科技为轴心，主要涉及材料、化学、物理、生物医药以及计算等诸多交叉领域，连续多年入选学术公众号十强榜单。

为了进一步加强纳米人交流平台的学术深度，现面向全球招募学术管理人：

一、福利

1）加入纳米人学术管理群，广交良师益友。

2）免费获得纳米人内部学术资源。

3）推荐优秀成员免费参加纳米人主办或协办的各种大型会议。

4）可以优先在纳米人平台进行科研成果宣传和招生招聘推广等工作。

       还有更多福利，等你来……

二、要求

      1. 能在纳米人QQ群或微信群长期深入交流学术问题！

      2. 没有了……

感兴趣的同学或老师，请长按识别二维码进行报名，我们将认真对待您的选择！