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近年來(lái)，各種基于插層化學(xué)的新型水系電池，如單價(jià)電池（鈉離子電池、鉀離子電池），多價(jià)電池（鋅離子電池、鎂離子電池、鋁離子電池）受到了廣泛的研究。該類電池源自各類具有豐富的金屬自然資源，具有水系電解液的高安全性、低成本、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，有希望替代傳統(tǒng)的有機(jī)類鋰離子電池成為下一代大規(guī)模儲(chǔ)能裝置。通過(guò)雜化離子電池的設(shè)計(jì)，它不僅保留了單價(jià)離子擴(kuò)散快、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工作電壓高的特點(diǎn)，同時(shí)在陽(yáng)極的選擇方面，不再局限于少數(shù)的鋰/鈉金屬，為水系電解液的實(shí)際使用提供了應(yīng)用環(huán)境。但目前，鈉鋅雜化電池所面臨的最重要的問(wèn)題是其能量密度較低，這是水系電解液固有缺陷——狹窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口（1.23 V）所導(dǎo)致的。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)超出這個(gè)窗口時(shí)，水會(huì)發(fā)生析氫、析氧的副反應(yīng)，導(dǎo)致電解液的酸堿度發(fā)生驟變，不僅會(huì)加速負(fù)極表面枝晶的生長(zhǎng)，也會(huì)使正極材料中的過(guò)渡金屬發(fā)生溶解，進(jìn)一步加速電池本身的腐蝕，從而影響電池電流輸出的穩(wěn)定性。

為了解決上述的難題，研究團(tuán)隊(duì)采用配體取代策略，通過(guò)優(yōu)選溶劑，在對(duì)陽(yáng)離子溶劑化殼層進(jìn)行重構(gòu)的同時(shí)，有效地改善了載流子的遷移環(huán)境，成功設(shè)計(jì)了具有2.9V寬電化學(xué)窗口以及19.6 mS cm?1高離子電導(dǎo)率的雜化電解液。并且，通過(guò)將鋅陽(yáng)極與兩種不同類型的鈉超離子導(dǎo)體(NASICON)型陰極配對(duì)，獲得了具有良好的倍率性能和大電流下較長(zhǎng)循環(huán)壽命（3A g?1電流密度下1000次循環(huán)充放電）的鈉鋅雜化電池。除此之外，通過(guò)理論計(jì)算以及XPS表征分析，少量水分子的參與溶劑化結(jié)構(gòu)有助于在正極表面形成含有NaF/ZnF2陰極電解質(zhì)界面相，從而有效的抑制陰極界面處所發(fā)生的過(guò)渡金屬溶出等副反應(yīng)。該研究工作為設(shè)計(jì)具備寬電化學(xué)窗口且高載流子遷移率的水系電解液提供了新的思路和解決方案。

華南師范大學(xué)是該論文的第一完成單位，論文第一作者為物理與電信工程學(xué)院2019級(jí)碩士研究生趙喜亮，共同一作為2020級(jí)碩士研究生顏嘉位，通訊作者為侯賢華教授和李洪飛副研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，廣東省粵桂聯(lián)合基金項(xiàng)目，廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，廣東省科技計(jì)劃和廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。