水系锌离子电池因其具有较大的比容量及极高的安全性，有望成为未来能源存储器件的主要补充方式。然而，制约其快速发展的瓶颈问题在于锌负极稳定性不足及锌离子传输受限。通过锚定阴离子是固态电池中提升阳离子传输数的高效策略，可以合理推测其同样可以迁移到其他电池体系起作用。 在水溶液中进行工作的锌离子电池正负极都将受到电解质中阴离子的各种不利影响，通过适当的溶剂化调控手段可以部分抑制其负面影响，但难以高效地对正负极同时实现优化。 近日，暨南大学麦文杰教授与香港城市大学支春义教授等人受主客体相互作用的启发，创新性地将β环糊精（β-CD）作为高效限制阴离子的电解液添加剂，同时实现了高效提升锌离子传输能力及调控锌（002）优势取向，从而显著地抑制锌负极表面各类有害寄生反应，并且全面提升锌离子全电池器件的储能比容量及循环寿命。
通过各种量子化学计算及谱学、热学表征技术等，可以有力证明β-CD与ClO4-阴离子具有较强的主客体相互作用（主要体现为氢键作用），这有利于高效限制电解液环境中阴离子的自由迁移，从而极大降低Zn2+的迁移能垒。 基于第一性原理DFT计算及各种晶相、织构和扫描电镜表征手段可知，β-CD包结ClO4-的复合体系可以有效调控金属锌不同晶面对锌离子的吸附能大小，从而实现诱导低表面能Zn (002)生长的结果，有利于高效抑制锌负极枝晶及各类副产物生成。 进一步通过分子动力学模拟分析、有限元仿真及电化学测试等各种策略，可以有效证实β-CD通过固定ClO4-，极大提升了锌离子传输数（从0.457到0.878），从而能够进一步有效稳定锌负极，实现长循环稳定性。 基于上述Zn (002)优势晶面的优先生长促使锌负极稳定工作，以及锌离子传输数的提升，引入β-CD添加剂的Zn-MnO2全电池实现了超过50%的比容量提升及显著优化的长循环稳定性。这一电解液工程设计思路将为未来调控电解液体系以共同提升锌基电池整体性能带来较多启发。 论文信息 Anion-trap Engineering toward Remarkable Crystallographic Reorientation and Efficient Cation Migration of Zn Ion Batteries Meijia Qiu, Peng Sun, Yu Wang, Liang Ma, Chunyi Zhi, Wenjie Mai Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202210979
