中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，二次電池憑借價(jià)格低廉、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，成為大規(guī)模儲(chǔ)能研究的焦點(diǎn)。其中，水系鋅離子電池因低成本和高安全性，被視作下一代最具前景的儲(chǔ)能電池之一。然而，鋅負(fù)極存在枝晶生長和化學(xué)腐蝕等固有問題，導(dǎo)致電池庫侖效率低、循環(huán)性能差，極大地阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。為解決這一難題，研究人員不斷探索新的改性策略，葡萄糖酸鋅作為一種新型電解液添加劑，在提升鋅負(fù)極性能方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

  一、葡萄糖酸鋅作為電解液添加劑的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

  《2025-2030年全球及中國葡萄糖酸鋅行業(yè)市場現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》為探究葡萄糖酸鋅對鋅負(fù)極性能的影響，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在儀器與試劑方面，使用了真空干燥箱、電子分析天平等儀器，以及五氧化二釩、七水合硫酸鋅等試劑，且試劑均為分析純。

  電解液配置上，空白電解質(zhì)為 2mol/L ZnSO?水溶液。將不同濃度的葡萄糖酸鋅分散在空白 ZnSO?溶液中，經(jīng)充分超聲溶解后形成均勻分散的 ZSO-ZG 電解液。具體是稱取 14.3775g ZnSO??7H?O，分別添加不同量的葡萄糖酸鋅，用蒸餾水定容至 25mL，最終得到葡萄糖酸鋅質(zhì)量濃度為 0.2、0.5 和 1.0mg/mL 的 ZSO-ZG 電解液，分別標(biāo)記為空白 ZSO，ZSO-ZG-0.2，ZSO-ZG-0.5 和 ZSO-ZG-1.0。

  正極制備以 V?O?等為原料，將質(zhì)量比為 70% V?O?、20% 科琴黑在瑪瑙研缽中充分研磨 30 分鐘，加入質(zhì)量濃度為 10% 的 PVDF 溶液混合均勻，再加入 NMP，在磁力攪拌器上攪拌 12 小時(shí)，之后將漿料涂覆在不銹鋼箔集流體上，于 60℃真空干燥箱中干燥 12 小時(shí)，裁片得到 V?O?正極。

  在材料表征測試中，所有樣品 XRD 測試采用銅 Kɑ靶，測試角度為 10°~80°，掃描速度為 8 (°)/min，管電壓為 40kV，管電流為 30mA;樣品表面形貌采用掃描電壓為 20kV 的掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征。

  電化學(xué)測試涵蓋多個(gè)方面，Tafel 曲線測試在電化學(xué)工作站上進(jìn)行，測試電壓為 - 0.3~0.3V，掃描速率為 1.0mV/s;電化學(xué)阻抗譜測試對 Zn||Zn 對稱電池以及不銹鋼 || 不銹鋼對稱電池進(jìn)行，測試頻率為 0.01Hz~100kHz;循環(huán)伏安法測試對 Zn-V?O?全電池進(jìn)行，掃描速率為 0.05mV/s，測試電壓為 1.0~2V;鋅沉積曲線測試組裝 Zn-Cu 電池，在 LAND 電池設(shè)備上進(jìn)行，充放電流密度為 1mA/cm2;Zn||Zn 對稱電池在 1mA/cm2 和 2mA/cm2 充放電流密度下進(jìn)行循環(huán)性能測試;Zn-V?O?全電池在 0.2~1.6V (vs.Zn2?/Zn) 的充放電電壓范圍內(nèi)進(jìn)行恒電流充放電，以測試長循環(huán)及倍率性能。

  二、葡萄糖酸鋅對鋅負(fù)極形貌和結(jié)構(gòu)的影響

  通過掃描電鏡和 X 射線衍射等手段對鋅負(fù)極的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明葡萄糖酸鋅能有效改善鋅負(fù)極的狀況。

  從 X 射線衍射圖譜來看，鋅負(fù)極在空白 ZSO 電解液中循環(huán) 3 圈后，表面有明顯的 Zn?SO?(OH)?特征衍射峰，說明生成了大量此類物質(zhì);而在含葡萄糖酸鋅的電解液中循環(huán)的鋅負(fù)極，幾乎觀察不到該特征衍射峰。由于 Zn?SO?(OH)?主要由電極的化學(xué)腐蝕和副反應(yīng)產(chǎn)生，這表明含葡萄糖酸鋅添加劑的電解液能有效抑制鋅負(fù)極的化學(xué)腐蝕和副反應(yīng)發(fā)生。

  掃描電鏡觀察顯示，鋅負(fù)極在空白 ZSO 電解液中循環(huán) 3 圈后，表面有突出的枝晶和團(tuán)聚顆粒，這是鋅成核不均勻及嚴(yán)重副反應(yīng)導(dǎo)致的;而在含葡萄糖酸鋅的電解液中循環(huán) 3 圈后，鋅負(fù)極表面無明顯變化，形成了光滑致密的電鍍層，說明葡萄糖酸鋅的添加能誘導(dǎo)鋅的均勻沉積。此外，鋅箔在空白 ZSO 電解液中浸泡 4 小時(shí)后，表面出現(xiàn)大量片狀副產(chǎn)物，腐蝕嚴(yán)重;經(jīng)含葡萄糖酸鋅添加劑的電解液處理后，鋅箔表面的副產(chǎn)物明顯減少，表明葡萄糖酸鋅能緩解鋅箔的腐蝕。

  三、葡萄糖酸鋅電解液的電化學(xué)性質(zhì)表征

  對含不同濃度葡萄糖酸鋅的電解液進(jìn)行電化學(xué)性質(zhì)測試，發(fā)現(xiàn)葡萄糖酸鋅能顯著改善電解液的性能。

  Tafel 曲線分析顯示，引入葡萄糖酸鋅后，腐蝕電流密度從空白的 0.6995mA/cm2 下降至 ZSO-ZG-0.5 的 0.2877mA/cm2，然后略微增加至 ZSO-ZG-1.0 的 0.3753mA/cm2。在含葡萄糖酸鋅添加劑的電解液中，腐蝕電流密度相比空白 ZSO 電解液減小，腐蝕速度減慢，材料的耐腐蝕性能更好，其中 ZSO-ZG-0.5 電解液中鋅負(fù)極的耐腐蝕性能最佳。

  電化學(xué)阻抗譜圖譜顯示，所有曲線形狀相似，高頻區(qū)域半圓代表界面電荷轉(zhuǎn)移電阻，低頻區(qū)域直線代表擴(kuò)散電阻。含有葡萄糖酸鋅添加劑的電解液，其界面電荷轉(zhuǎn)移電阻高于空白電解液，且隨著葡萄糖酸鋅濃度的增加而相應(yīng)增大，這是由于葡萄糖酸鋅具有絕緣特性。因此，過量添加葡萄糖酸鋅會(huì)急劇降低電解液的離子電導(dǎo)率，需控制其添加量，濃度過低不能有效調(diào)節(jié) Zn2?均勻沉積，過高則會(huì)阻礙 Zn2?傳輸，影響電化學(xué)性能。

  鋅沉積曲線表明，當(dāng)電流密度為 1mA/cm2(比容量為 1mAh/cm2)時(shí)，空白 ZSO 電解液中金屬鋅的成核過電位為 51mV，而 ZSO-ZG-0.5 電解液中為 40mV。后者成核過電位更低，說明葡萄糖酸鋅的存在降低了金屬鋅的成核勢壘，對成核過程有顯著調(diào)控作用，能有效誘導(dǎo) Zn2?均勻沉積。

  四、葡萄糖酸鋅對電池循環(huán)性能的提升

  不同濃度葡萄糖酸鋅對 Zn||Zn 對稱電池循環(huán)穩(wěn)定性能的影響不同，循環(huán)穩(wěn)定性隨葡萄糖酸鋅濃度的增加先升高后降低。ZSO-ZG-0.5 電解液中，Zn||Zn 對稱電池循環(huán)性能最好;在 ZSO-ZG-1.0 電解液中，電池的循環(huán)穩(wěn)定性能變差。

  在大電流密度下，使用 ZSO-ZG-0.5 電解質(zhì)的鋅負(fù)極在 2mA/cm2(比容量固定為 2mAh/cm2)時(shí)，循環(huán)壽命為 300h，而在空白 ZSO 電解液中，僅循環(huán) 70h 就失效。這表明引入葡萄糖酸鋅添加劑后，電池的循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高，歸因于其能有效調(diào)節(jié) Zn2?均勻沉積，抑制負(fù)極腐蝕和枝晶生長。

  五、葡萄糖酸鋅對 Zn-V?O?全電池電化學(xué)性能的影響

  Zn-V?O?全電池的測試結(jié)果顯示，葡萄糖酸鋅能提升全電池的性能。循環(huán)伏安法測試中，使用含葡萄糖酸鋅行業(yè)添加劑的電解質(zhì)和空白 ZSO 電解質(zhì)的全電池都出現(xiàn)兩對氧化還原峰，分別是 0.562V/0.757V 和 0.914V/1.235V，這歸因于充放電過程中 Zn2?在 V?O?正極里的兩步(脫)插層過程。且使用葡萄糖酸鋅基電解質(zhì)的全電池的 3 個(gè)循環(huán) CV 曲線重疊度優(yōu)于空白電解質(zhì)，表明其電極電化學(xué)可逆性能優(yōu)異。

  恒電流充放電測試中，使用 ZSO-ZG-0.5 基電解液的全電池初始放電比容量為 248.2mAh/g，遠(yuǎn)高于使用空白 ZSO 電解質(zhì)電池的 148.4mAh/g。同時(shí)，使用葡萄糖酸鋅基電解質(zhì)的電池與使用空白 ZSO 電解質(zhì)的電池相比，充放電電位差減小，說明葡萄糖酸鋅的存在促進(jìn)了 Zn2?轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了全電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。

  倍率性能方面，采用 ZSO-ZG-0.5 基電解液的全電池在 0.2、0.5、1.0 和 2.0A/g 的電流密度下，比容量分別為 123.4、83.5、44.3 和 8.3mAh/g;而采用空白 ZSO 基電解液的電池在相同電流密度下，比容量分別為 69.3、25.5、6.0 和 5.5mAh/g。當(dāng)電流從大電流切換到小電流時(shí)，采用 ZSO-ZG-0.5 基電解液的全電池的放電比容量恢復(fù)能力更強(qiáng)。

  長循環(huán)性能測試中，在 1A/g 下，使用 ZSO-ZG-0.5 基電解液的全電池循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)于使用空白 ZSO 電解液的電池，循環(huán) 500 周后可逆比容量高達(dá) 81.8mAh/g。

  綜上所述，在電解液中引入葡萄糖酸鋅行業(yè)這種新型雙功能電解質(zhì)添加劑，可對鋅負(fù)極進(jìn)行改性，提升其穩(wěn)定性。葡萄糖酸鋅不僅能調(diào)節(jié) Zn2?的均勻成核，還能隔離 H?O 分子與鋅負(fù)極，抑制 Zn?SO?(OH)??nH?O 副產(chǎn)物的產(chǎn)生。憑借這種雙重作用，葡萄糖酸鋅在抑制鋅負(fù)極枝晶生長的同時(shí)，緩解了化學(xué)腐蝕和副反應(yīng)的發(fā)生。使得采用含葡萄糖酸鋅添加劑的電解液的 Zn||Zn 對稱電池的鋅負(fù)極能實(shí)現(xiàn)長達(dá) 600h 的長循環(huán)，Zn-V?O?全電池在特定電流密度條件下循環(huán) 500 周后可逆比容量達(dá) 81.8mAh/g。這種電解質(zhì)添加劑為抑制鋅負(fù)極枝晶生長提供了有前景的策略，對指導(dǎo)下一代鋅離子電池電解液的開發(fā)具有較大參考價(jià)值。

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