原位自聚合界面与局部pH缓冲区的协同构建助力高性能水系锌碘电池

本文创新性地开发了戊内酰胺（VL）作为多功能电解液pH缓冲剂，通过原位聚合形成机械稳定的固体电解质界面（SEI）层，同步调控锌阳极界面pH值，抑制多碘化物穿梭效应，实现了水系Zn-I2电池的超长循环稳定性（26,500次循环容量保持率86.4%）和超高电流密度耐受性（40 mA cm?2下4,000次循环）。

　　

引言

水系锌碘（Zn-I₂）电池因高安全性和低成本成为大规模储能的理想选择，但锌枝晶生长、氢析出反应（HER）、腐蚀及多碘化物穿梭效应严重制约其发展。传统电解液（如ZnSO₄）中，界面pH值波动导致副产物积累和SEI层破裂。本研究提出采用戊内酰胺（VL）作为有机pH缓冲剂，通过动态调节局部pH和原位构建SEI层实现协同优化。

结果与讨论

电解液设计与机理

VL通过羰基氧与Zn²⁺配位（FT-IR证实C=O峰红移），重构Zn²⁺溶剂化鞘（MD模拟显示VL取代水分子），降低自由水活性（¹H NMR峰位移至4.791 ppm）。静电势分析（ESP）表明VL的ESP_min低于H₂O，优先吸附于锌阳极形成贫水界面。

界面保护与性能提升

VL在H⁺触发下发生开环聚合（Gibbs自由能-82.45 kcal mol^?1），形成16 nm厚SEI层（TEM验证）。该层兼具机械强度（抗体积应变）和Zn²⁺富集特性，抑制浓度极化。对称电池在40 mA cm^?2和1 mAh cm^?2下循环4,000次（较传统电解液提升4.3倍），过电位仅146 mV。

多碘化物穿梭抑制

原位紫外光谱显示VL使I₃^?溶解度降低，CV测试证实VL-BE电解液极化更小。Zn-I₂全电池在50 C倍率下循环26,500次后容量保持86.4%，而对照组容量衰减至48.7 mAh g^?1。

极端环境适应性

VL-BE在-10°C仍保持液态（BE已凝固），-5°C下对称电池循环450次（过电位170 mV）；50°C高温下稳定循环550次，而BE仅49次后短路。

结论

VL通过三重作用机制（pH缓冲、SEI原位聚合、多碘化物锚定）实现了锌阳极稳定性和碘阴极反应动力学的协同优化。该策略为高性能水系电池的电解液设计提供了新范式，推动其商业化进程。

（注：全文内容严格基于原文实验数据与结论，未添加非文献支持信息）