哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
相较于有机电解液，水系电解液具有多种优点，如离子电导率高、生产条
件简单、安全性优异等。因此，水系电池受到越来越多的关注。其中，水系锌
离子电池因负极金属锌具有储量丰富、氧化还原电位低(?0.76VvsSHE)和理论
容量高(820mAh·g?1)等优点，在大规模储能系统中具有极大的发展潜力。但是
金属锌负极循环过程中存在的枝晶生长及副反应等问题制约着其发展。本课题
针对水系锌离子电池中金属锌负极现存的问题，从电解液调控与界面层构筑两
方面展开研究，抑制枝晶生长、减缓界面副反应，提高金属锌负极的循环稳定
性和利用率。
在电解液调控方面，引入四氢呋喃作为辅助溶剂，利用电化学测试及物理
表征手段探究了四氢呋喃对于负极循环性能等的影响。研究表明，添加量20%
四氢呋喃的电解液能够显著提升锌负极的循环性能与库伦效率。Zn//Zn对称电
池在0.5mA?cm?2，0.5mAh?cm?2下仍能稳定循环超过3200h，Zn//Cu半电池在
0.5mA?cm?2下能稳定循环近600次且库伦效率接近100%。此外，四氢呋喃能
够提升锌离子电池的低温性能，?30℃下Zn//VO2电池仍能保持50mAh?g?1的比
容量。结合理论计算发现四氢呋喃作用机制如下：一方面四氢呋喃可以吸附在
负极表面，尤其会特性吸附到Zn(002)晶面上，起到“静电屏蔽”的作用，促进
锌离子均匀沉积，从而抑制枝晶生长；另一方面四氢呋喃还能改变电解液中锌
离子的溶剂化结构，抑制水分子的解离，降低副反应活性，结合负极表面吸附
的四氢呋喃分子还能促进锌离子去溶剂化，以减少到达负极表面的溶剂化水分
子，从而抑制负极表面的副反应。
在界面层构筑方面，利用原子层沉积技术(ALD)在锌负极表面成功设计并
构筑了均匀的AlO、polyurea纯相界面层以及AlO-polyurea杂化界面，其中
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AlO-polyeur杂化界面能够显著提升锌金属负极的电化学稳定性。在1mA?cm?2，
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1mAh?cm?2下对称电池能稳定循环近1200h以上。理论计算表明，杂化界面层
中存在垂直于负极表面的负电荷密度梯度，为锌离子规划“传输路径”，诱导锌
离子去溶剂化与均匀沉积。因此，可以有效的抑制负极表面枝晶生长与副反应
的发生。
关键词：水系锌离子电池；锌负极；四氢呋喃；原子层沉积；锌枝晶
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Comparedwithorganicelectrolytes,aqueouselectrolyteshavemanyadvantages,
suchashighionicconductivity,highpowerdensity,simpleproductionconditions,and
highsafety.Therefore,aqueousbatterieshaveattractedmoreandmoreattention.Among
them,metalzinchastheadvantagesofabundantreserves,lowredoxpotential(?0.76V
vsSHE),andhightheoreticalcapacity(820mAh·g?1),whichmakesaqueouszincion
batterieshavegreatpotentialfordevelopmentinlarge-scaleenergystoragesystems.
However,thedevelopmentofmetalzincanodeinthecyclingprocessofaq