高效环丁烯砜电解质添加剂实现无枝晶锌负极助力高性能水系锌离子电池

　　本研究针对水系锌离子电池(AZIBs)中锌负极存在的副反应和枝晶生长问题，创新性地采用3-环丁烯砜(CS)作为电解质添加剂。通过理论计算和实验验证，证实CS能通过强电负性和高结合能进入Zn2+ 溶剂化鞘结构，消除{Zn2+ -SO4 2? -(H2 O)5 }中的游离水分子，使Zn||Zn对称电池实现1400小时循环寿命(1 mA cm?2 )，Zn||Cu半电池达到99.5%库伦效率，为AZIBs商业化提供新策略。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，水系锌离子电池(AZIBs)因其高安全性、低成本和高理论容量成为锂离子电池(LIBs)的理想替代品。然而，锌负极面临的副反应和枝晶生长问题严重制约其实际应用。传统解决方案如构建固体电解质界面(SEI)存在稳定性差、持续消耗添加剂等缺陷，而调节Zn²⁺
溶剂化鞘结构的策略虽能规避SEI缺陷，却常因添加剂高粘度或化学不稳定性影响电池性能。

为解决这一难题，来自佛山的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表创新研究，首次将3-环丁烯砜(CS)作为功能性电解质添加剂应用于AZIBs。该研究通过理论计算结合电化学测试，证实含砜基(-SO₂
-)的CS分子能有效重构Zn²⁺
溶剂化环境，使Zn||Zn对称电池在1 mA cm^?2
下实现创纪录的1400小时循环寿命，Zn||NH₄
V₄
O₁₀
全电池在5 A g^?1
下保持139.1 mAh g^?1
的高倍率性能。

关键技术方法包括：1) 分子动力学模拟分析CS与Zn^{2+
结合能；2) 拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征溶剂化结构演变；3) 扫描电镜(SEM)观察锌沉积形貌；4) 电化学阻抗谱(EIS)评估界面动力学；5) 恒电流循环测试验证长周期稳定性。}

【Improved solvation and de-solvation capabilities of Zn²⁺
with the CS additive】
理论计算揭示CS分子中砜基的强电负性(S=O键偶极矩4.07 D)使其与Zn²⁺
结合能达-3.21 eV，优于水分子(-2.18 eV)。拉曼光谱显示CS添加后Zn²⁺
-O_water
振动峰强度降低42%，证实CS成功取代溶剂鞘中的配位水。

【Electrochemical performance of Zn anode with CS additive】
在0.1 CS/BE电解液中，Zn||Cu半电池10 mA cm^?2
下库伦效率(CE)达99.5%，较基础电解液(BE)提升8.2%。X射线光电子能谱(XPS)检测到Zn表面副产物含量减少76%，证明CS有效抑制析氢和碱式硫酸锌生成。

【Full cell performance】
采用NH₄
V₄
O₁₀
正极的全电池在5 A g^?1
下循环800次容量保持率达91.3%，倍率性能提升37.8%，且差分电容曲线显示极化电压降低62 mV。

该研究通过分子设计实现了溶剂化结构的精准调控，提出"砜基强配位-脱水-界面稳定"的协同机制：1) CS的-SO₂
-基团优先与Zn²⁺
配位；2) 解离[Zn(H₂
O)₆
]²⁺
为[Zn(CS)₂
(H₂
O)₂
]²⁺
；3) 形成贫水界面抑制副反应。这种"电解质工程"策略为开发高稳定AZIBs提供了新思路，其采用的CS添加剂具有工业化生产成本优势(市场价格$15/kg)，对推动大规模储能应用具有重要意义。