EDTA调控双电层结构提升锌离子电池性能的界面工程研究

本文推荐了一种采用乙二胺四乙酸（EDTA）作为电解液添加剂的新型策略，通过调控锌离子溶剂化结构、促进阴离子配位（EDL重构）及加速脱溶剂化动力学，显著抑制锌枝晶生长与副反应。研究证实该策略可提升高负载（20 mg·cm?2）锌-五氧化二钒（Zn?V2O5）全电池的循环稳定性（1000次循环容量保持率64.9%）并实现1.21 Ah软包电池的放大验证。

　　

Highlight

通过引入乙二胺四乙酸（EDTA）作为电解液添加剂，有效调控锌离子的溶剂化结构，促进阴离子配位并加速脱溶剂化过程。理论计算表明，EDTA阴离子优先吸附于锌阳极表面，重构双电层（EDL）结构。泊松-玻尔兹曼方程定量分析进一步揭示，该吸附型阴离子添加剂可提高锌离子数浓度、降低浓度极化，并抑制电极表面副反应，从而优化电荷转移效率与沉积行为。

Section snippets

Preparation of electrolytes

乙二胺四乙酸（EDTA, ACS）和七水合硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O, 99.5%）购自阿拉丁公司。将ZnSO₄·7H₂O粉末溶解于去离子水中制备2 M ZnSO₄电解液作为对照组，随后向其中加入预定量的EDTA，室温搅拌5小时，获得含10 mM、20 mM及30 mM EDTA的样品电解液。其中20 mM为最优添加剂浓度，标记为EDTA-20。

Regulation of the solvation structure and interface adsorption

添加剂EDTA由四个羧基和一个乙二胺核心（含两个氨基）组成，在水溶液中解离为EDTA阴离子（图S1）。离子溶剂化结构对水性锌离子电池（AZIBs）性能至关重要。为阐明EDTA对溶剂化结构的影响，对比了含添加剂与不含添加剂的电解液的拉曼光谱（图S2）。EDTA的引入削弱了390 cm^?1处的Zn-OH₂振动峰，表明水分子与锌离子的相互作用被削弱。

Conclusion

综上所述，EDTA作为AZIBs添加剂可稳定电极结构。结合实验与理论研究阐明了其作用机制：光谱分析表明EDTA改变了溶剂化环境，促进Zn²⁺在沉积过程中的脱溶剂化；联合计算与实验结果定量证明，EDTA的引入增强了Zn²⁺与电极的相互作用，提高了双电层（EDL）中的锌离子浓度，抑制副反应并诱导致密锌沉积。该研究为高性能锌基电池的电解液设计提供了新视角。