近日，我院乔羽教授课题组在水系二次电池表界面的相关研究中取得重要进展。相关成果以“Unlocking Dynamic Solvation Chemistry and Hydrogen Evolution Mechanism in Aqueous Zinc Batteries”为题发表在Journal of the American Chemical Society（DOI:10.1021/jacs.4c02558）。
由于水系电解液相对于非水系有机电解液具有更好的可持续性和更高的安全性，水系锌电（AZBs）已被视为下一代大规模储能的新兴候选。与碱金属电池类似，电极/电解液界面溶剂化结构的动态演化对AZBs的储能能力起着重要作用，涉及复杂的析氢反应（HER）和与腐蚀有关的问题。Zn2+和H+之间激烈的电子竞争所带来的复杂挑战与界面氢键（H-bond）网络紧密相关，它显著地影响着锌在基底表面的电镀/剥离，并且由于它对Zn2+ 的（去）溶剂化动力学的重要影响，在讨论电池高性能的时候经常被提及。深共晶电解液、离子液体和功能添加剂等电解液修饰策略已被广泛用于调节局部氢键网络，从而有效地抑制HER并提高电池性能。然而，对这些策略促进高性能的机制探索尚未得到详尽的研究。主要是由于可用于探测界面的技术局限性，导致对界面现象的讨论往往具有不确定性和缺乏清晰度的特征。此外，建立并可视化界面H-bond演化和电池性能评估之间的实质相关性仍然是巨大的挑战。
我院乔羽教授团队和华中科技大学冯光教授团队结合电化学原位傅里叶变换红外光谱（in situ FTIR）和分子动力学模拟，深入研究了ZnSO4电解液中，在金属锌电镀/剥离过程中界面溶剂化结构的动态演化。实验和理论计算均表明，锌电镀/剥离过程有两个关键的变化过程，即在偏置电位下，初始双电层的建立形成H2O富集的界面（突变）和随后界面氢键的动态演化（渐变）。此外，镀锌后形成了diluted interface（氢键数量增加，强度减弱），促进大量H2生成（竞争HER）。相反，锌剥离过程中形成了concentrated interface（氢键数量减少，强度增加），并产生了少量的H2（腐蚀HER）。同样，在浓度更高的电解液中（4 M），in situ FTIR随Zn2+（去）溶剂化的变化趋势与1 M电解液的一致，但电位依赖性较小。更重要的是，在偏置电位下立即形成的H2O富集界面是关键，导致用1 M和4 M电解液组装的电池在性能上差异明显。在瞬时电位施加下，将界面溶剂化结构的突变程度做为水系锌电池性能提升的评估指示符，本研究有利于指导水系电解液的调控和设计。
锌沉积/溶出过程界面的动态演化示意图
该研究工作是在我院乔羽教授、邹业国博士（博士后研究员），和华中科大冯光教授的指导下完成，第一作者为2021级硕士研究生余小雨。该论文得到国家重点研发计划（2021YFA1201900）、国家自然科学基金（22179111、22021001、52106090、T2325012）、嘉庚创新实验室基础研究项目（RD2021070401）等，以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c02558
