水系鋅離子電池具有包括高豐度、低毒性和本征不可燃性的顯著優(yōu)勢。然而，由于枝晶生長和腐蝕反應(yīng)不受控制，這種電池表現(xiàn)出嚴(yán)重的不可逆性，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

圖1 溶劑化鞘結(jié)構(gòu)的表征

北京理工大學(xué)陳人杰、黃永鑫等受其獨(dú)特的分子識別特性的啟發(fā)，篩選出具有與Zn²⁺離子直徑相同的內(nèi)腔尺寸的超分子冠醚作為大環(huán)宿主，以優(yōu)化Zn²⁺配位環(huán)境，從而抑制H₂O分子的反應(yīng)性，并誘導(dǎo)原位形成有機(jī)-無機(jī)混合雙重保護(hù)界面相。

冠醚中高度規(guī)整的低聚環(huán)氧乙烷單元賦予其獨(dú)特的分子識別能力，這使其能夠根據(jù)內(nèi)腔的大小與金屬離子特異性結(jié)合，而大環(huán)體的外部則是疏水的，這就抑制了水引起的析氫反應(yīng)和鋅負(fù)極腐蝕。

圖2 半電池性能

此外，原位組裝的界面相具有”離子篩”效應(yīng)，可排斥H₂O分子并促進(jìn)Zn²⁺的快速傳輸，從而抑制副反應(yīng)并使Zn²⁺離子均勻沉積。因此，Zn||Zn對稱電池中的Zn負(fù)極顯示出較長的循環(huán)壽命，在2.0 mA cm^-2/2.0 mAh cm^-2條件下運(yùn)行超過1360 h，相當(dāng)于1.36 Ah cm^-2的超高累積沉積容量。

同時，Zn|||Cu半電池的CE值高達(dá) 98.4%。此外，添加了冠醚添加劑的Zn||LMO全電池在200次循環(huán)后的保持率提高了70%，從而證明了實(shí)現(xiàn)非枝晶Zn負(fù)極并延長其使用壽命的策略大有可為。

圖3 Zn||LMO全電池性能

Molecular recognition effect enabled by novel crown ether as macrocyclic host towards highly reversible Zn anode. Science Bulletin 2023. DOI: 10.1016/j.scib.2023.08.024