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为解决水系锌电池（AZB）中锌金属电极可逆性低、循环寿命短的问题，研究人员开展了水系共溶剂电解液设计的研究。发现 Dimroth 和 Reichardt 的 Et (30) 极性标度可有效筛选有机分子，设计的电解液实现了高可逆性和循环稳定性，为 AZB 电解液设计提供新方向。
在能源存储领域，水系锌电池（AZB）凭借高能量密度、安全性高和成本低等优势，成为极具潜力的下一代电池。然而，它却面临着一个棘手的难题：锌金属电极的可逆性较差。在锌电镀过程中，锌的氧化还原反应电位比水的还原电位低，这就导致在锌电极表面容易发生析氢反应（HER），不仅降低了锌电镀 / 剥离的库仑效率（CE），还会产生氢氧根阴离子，促使氢氧化锌沉淀，进而引发锌枝晶生长，严重影响电池的循环稳定性。为了攻克这些难题，提升水系锌电池的性能，来自美国马里兰大学（University of Maryland）的研究人员展开了深入研究 。
研究人员通过一系列实验和分析，得出了一系列重要结论。他们发现，传统的极性参数，如介电常数、偶极矩等，无法准确预测 Zn2?的溶剂化情况，不能有效指导高性能 AZB 电解液的设计。而 Dimroth 和 Reichardt 的 Et (30) 极性标度，不仅能反映溶剂的极性，还能体现其氢键能力，与锌的库仑效率呈现出明显的火山型关系，当 Et (30) 约为 45 时，锌的库仑效率最高。基于 Et (30) 标度设计的电解液，能有效抑制副反应和金属电极的无序沉积，实现了高平均锌库仑效率（99.8%）、超长循环寿命（5500 h）和高比能量（110 Wh kg?1 ）。此外，研究人员还筛选出合适的含氟添加剂，证实其能促进形成富含 ZnF?的固体电解质界面（SEI），进一步提升电池性能。该研究成果发表在《Joule》上，为水系电解液体系的研究提供了新的思路和方向，有望推动水系锌电池的实际应用。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是电化学分析技术，通过多种电化学测试手段，如使用标准硬币电池进行恒电流实验、循环伏安法等，对电池的各项电化学性能进行评估；二是光谱分析技术，利用衰减全反射 - 傅里叶变换红外光谱（ATR FTIR）、核磁共振（NMR）等光谱技术，分析电解液的氢键网络、水分子化学环境等；三是表面分析技术，借助扫描电子显微镜（SEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等，观察锌电极的表面形貌和成分，确定 SEI 层的形成和组成 。
下面详细介绍研究结果：
- 有机共溶剂的选择：研究人员选取多种有机共溶剂，测试其在水系电解液中的溶解性和对电化学稳定性窗口的影响，并测量不同电解液中锌的库仑效率。结果发现，常用的极性标度与锌库仑效率无明显相关性，而 Et (30) 与锌库仑效率呈现良好的相关性。这表明 Et (30) 可作为探索 AZB 共溶剂的有效描述符，且存在一个最佳的 Et (30) 范围，能使锌氧化还原反应的可逆性最高。
- 含水电解液与有机溶剂的溶剂化结构：通过 ATR FTIR 光谱和 1H NMR 光谱分析不同电解液的氢键网络和水分子电子密度变化，结合计算分析，研究人员发现随着 Et (30) 值的变化，电解液的溶剂化结构会发生改变。在高 Et (30) 的电解液中，锌离子的第一溶剂化壳层主要被水和溶剂分子占据；而在中低 Et (30) 的电解液中，TFSI 阴离子会参与溶剂化结构。并且，阴离子配位比有机共溶剂配位更能稳定锌溶剂化壳层中的水，减少水的极化，对降低水的副反应至关重要。
- 含氟添加剂的选择：由于在水系电解液中形成富含 F 的 SEI 存在困难，研究人员基于母体分子的 Et (30) 值筛选含氟添加剂。实验结果显示，添加特定含氟添加剂（如 FF）的电解液，能显著提高锌电极的循环稳定性和库仑效率，降低电荷转移电阻，减小反应活化能，使锌电极表面形貌更均匀。
- 添加剂衍生的 SEI：通过扫描伏安法、XPS、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）等技术，研究人员证实了在含 FF 添加剂的电解液中，能形成富含 ZnF?的 SEI 层。该 SEI 层具有高疏水性和疏锌性，可有效抑制 HER，减少氢氧化锌的形成，从而提升锌电极的性能。
- Zn||PANI 全电池性能：将含 FF 添加剂的电解液应用于 Zn||PANI 全电池，与不含添加剂的电解液相比，该全电池展现出更高的比容量、更长的循环稳定性和更好的倍率性能。在不同温度和高负载条件下，含 FF 添加剂的全电池仍能稳定运行，表明其在高性能 AZB 中具有潜在的应用价值。
研究结论和讨论部分指出，Dimroth 和 Reichardt 的 Et (30) 是选择 AZB 电解液有机分子的有效描述符，与传统认知中有机分子极性越高库仑效率越高不同，存在一个最佳的 Et (30) 值（约 45）可使锌库仑效率最高。这一火山型关系源于有机分子的最佳极性范围，其能改变锌离子的溶剂化结构，减少水的活性和溶剂分解产生的气体。Et (30) 还可用于选择添加剂，基于此设计的 DSFF 电解液展现出高库仑效率和稳定的锌循环寿命。此外，含 DSFF 电解液的 PANI-AZB 在倍率性能和容量方面表现更优。该研究为未来相关领域的研究提供了宝贵的见解，有助于推动水系锌电池的进一步发展和应用。
