DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01970-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41482514
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Xiyan Wei وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تعزيز بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs) من خلال التصميم المبتكر لالكتروليت يتكون من الجلسرين (GL) وميثيل سلفوناميد (MSA). من خلال إعادة بناء شبكة الروابط الهيدروجينية، تتناول الدراسة التحديات الحرجة مثل نمو الدندريت الزنكي وقيود الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة. يسهل التأثير التآزري لـ GL و MSA تشكيل أنود زنك خالي من الدندريت موجه (100)، مما يحسن بشكل كبير من أداء المعدل واستقرار التشغيل لـ AZIBs.
تظهر النتائج أن خلايا Zn||Zn المتماثلة تحقق استقرارًا استثنائيًا في الدورة، حيث تعمل لمدة 4,000 ساعة عند كثافة تيار تبلغ 1 مللي أمبير سم$^{-2}$ وتحافظ على أكثر من 5,400 ساعة عند -20 °م. بالإضافة إلى ذلك، تظهر خلايا Zn||VO$_2$ الكاملة احتفاظًا مثيرًا للإعجاب بالسعة، حيث تصل إلى 77.3% بعد 2,000 دورة عند 30 °م و85.4% عند -20 °م. تختتم الدراسة بأن تصميم الالكتروليت المقترح لا يعزز فقط الإنتروبيا التكوينية للالكتروليت ولكن أيضًا يقمع التفاعلات الجانبية بشكل فعال، مما يوسع نطاقات التيار ودرجات الحرارة التشغيلية لـ AZIBs، مما يمهد الطريق لتطبيقاتها العملية في تخزين الطاقة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات بطاريات أيونات الزنك المائية (AZIBs) لتخزين الطاقة على نطاق واسع بسبب سلامتها وصداقة البيئة وفعاليتها من حيث التكلفة. يواجه أنود الزنك (Zn)، الذي له سعة نظرية تبلغ 820 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$، تحديات مثل تشكيل الدندريت، والتفاعلات الجانبية الطفيلية، والقدرة على التجمد، مما يحد من أدائه وعمره الافتراضي. للتغلب على هذه القضايا، يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى الكتروليتات جديدة يمكن أن تمنع نمو الدندريت، وتمنع التجمد، وتدعم التشغيل عالي المعدل. يقترحون أن تحسين الالكتروليتات من خلال إضافات متعددة المكونات يمكن أن يعزز الاستقرار والعكسية الكهروكيميائية من خلال زيادة الإنتروبيا التكوينية، مما يقلل من الاستقطاب السطحي ويحسن استقرار الدورة.
تقدم الدراسة استراتيجية ثنائية الإضافة باستخدام الجلسرين (GL) وميثيل سلفوناميد (MSA) في الكتروليت 2 M ZnSO$_4$. تهدف هذه الطريقة إلى توجيه ترسيب الزنك من خلال الامتصاص التفضيلي على مستويات بلورية معينة، مما يعزز النمو المتجانس ويقلل من تشكيل الدندريت. كما تعزز الإضافات الإنتروبيا التكوينية للالكتروليت، مما يحسن من حركة الأيونات ويخفض من نقطة التجمد. تظهر خلايا Zn||Zn المتماثلة الناتجة أداءً كهروكيميائيًا مثيرًا للإعجاب، حيث تحقق دورة مستقرة على مدى فترات طويلة وعبر نطاق واسع من درجات الحرارة، مما يظهر فعالية تصميم الالكتروليت المقترح للتطبيقات العملية في AZIBs.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، استخدم المؤلفون مواد عالية النقاء لأبحاثهم. تم الحصول على رقائق الزنك (Zn) بسماكات 10 ميكرومتر و100 ميكرومتر، بالإضافة إلى رقائق التيتانيوم (Ti) بسماكة 10 ميكرومتر، من شركة Shenzhen Kejing Star Technology Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) وثاني أكسيد الفاناديوم (VO₂) وزنك سلفات هيدرات (ZnSO₄•7H₂O) من شركة Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. تم توفير المكون الموصل، سوبر P كربون أسود، من شركة Jiangsu Shenzhou Carbon Co., Ltd.، بينما تم الحصول على ميثيل سلفوناميد (MSA) والجلسرين (GL) من شركة Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. كانت جميع المواد والكيماويات من الدرجة التحليلية وتم استخدامها دون مزيد من التنقية، مما يضمن سلامة النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ليست نتيجة للصدفة العشوائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في سلوك النظام، كما يتضح من الرسوم البيانية والجداول المرسومة المضمنة في القسم. تسهم هذه النتائج في المعرفة الحالية من خلال تأكيد الفرضيات السابقة وتقديم رؤى جديدة حول الآليات المعنية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة وآثارها على الأبحاث المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة إعداد وتوصيف مختلف الالكتروليتات، مع التركيز بشكل خاص على الكتروليت 2 M ZnSO₄ (ZSO) والصيغ المعدلة التي تتضمن الجلسرين (GL) وميثيل سلفوناميد (MSA). شمل الإعداد إذابة ZnSO₄•7H₂O في الماء منزوع الأيونات ومزجه مع GL وMSA بنسب حجم محددة. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل FE-SEM وTEM وEDX وXPS وXRD لتحليل الشكل والهيكل البلوري للعينات. تم تقييم الأداء الكهروكيميائي باستخدام خلايا Zn||Zn المتماثلة وخلايا Zn||Ti نصفية، مما يكشف أن الالكتروليت المعدل ZW₅G₅M₁ يقمع بشكل فعال تفاعلات تطور الهيدروجين (HER) ويعزز استقرار الدورة.
تسلط الدراسة الضوء على تأثير GL وMSA على هيكل الحل والتفاعل الهيدروجيني، مما يظهر أن GL ينسق تفضيليًا مع أيونات Zn²⁺، مما يقلل من عدد جزيئات الماء المنسقة ويمنع HER. يعزز إدخال MSA أيضًا حركة الأيونات ويثبت الالكتروليت من خلال تعطيل شبكة الروابط الهيدروجينية. تشير نتائج المسح الحراري التفاضلي (DSC) إلى أن الالكتروليت ZW₅G₅M₁ يظهر نقطة تجمد أقل بكثير مقارنة بـ ZSO، مما يؤكد خصائصه المضادة للتجمد. بالإضافة إلى ذلك، يوفر تشكيل واجهة الكتروليت صلبة (SEI) على أنود الزنك، الذي يسهل بواسطة GL وMSA، حماية ضد التآكل وHER، كما يتضح من تحليلات XPS وTOF-SIMS. بشكل عام، يوازن تركيبة الالكتروليت المثلى ZW₅G₅M₁ بين الموصلية الأيونية وقمع HER، مما يعزز ترسيب الزنك المتجانس ويعزز من عمر أنود الزنك.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01970-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41482514
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Xiyan Wei et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Overview
This research investigates the enhancement of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) through the innovative design of an electrolyte composed of glycerol (GL) and methylsulfonamide (MSA). By reconstructing the hydrogen-bond network, the study addresses critical challenges such as zinc dendrite growth and performance limitations at low temperatures. The synergistic effect of GL and MSA facilitates the formation of a (100)-oriented, dendrite-free zinc anode, significantly improving the rate performance and operational stability of AZIBs.
The findings demonstrate that Zn||Zn symmetric cells achieve exceptional cycling stability, operating for 4,000 hours at a current density of 1 mA cm$^{-2}$ and maintaining over 5,400 hours at -20 °C. Additionally, Zn||VO$_2$ full cells exhibit impressive capacity retention, with 77.3% after 2,000 cycles at 30 °C and 85.4% at -20 °C. The study concludes that the proposed electrolyte design not only enhances the configurational entropy of the electrolyte but also effectively suppresses side reactions, thereby broadening the operational current and temperature windows of AZIBs, paving the way for their practical applications in energy storage.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) for large-scale energy storage due to their safety, environmental friendliness, and cost-effectiveness. The zinc (Zn) anode, with a theoretical capacity of 820 mAh g$^{-1}$, faces challenges such as dendrite formation, parasitic side reactions, and susceptibility to freezing, which limit its performance and lifespan. To overcome these issues, the authors emphasize the need for novel electrolytes that can inhibit dendrite growth, prevent freezing, and support high-rate operation. They propose that optimizing electrolytes through multi-component additives can enhance stability and electrochemical reversibility by increasing configurational entropy, which mitigates interfacial polarization and improves cycling stability.
The study introduces a dual-additive strategy using glycerol (GL) and methylsulfonamide (MSA) in a 2 M ZnSO$_4$ electrolyte. This approach aims to guide Zn deposition by preferentially adsorbing on specific crystallographic planes, promoting uniform growth and reducing dendrite formation. The additives also enhance the electrolyte’s configurational entropy, improving ion mobility and lowering the freezing point. The resulting Zn||Zn symmetric cells demonstrate impressive electrochemical performance, achieving stable cycling over extended periods and across a wide temperature range, thus showcasing the effectiveness of the proposed electrolyte design for practical applications in AZIBs.
Methods
In the experimental section of the study, the authors utilized high-purity materials for their research. Zinc (Zn) foils with thicknesses of 10 µm and 100 µm, as well as titanium (Ti) foils of 10 µm thickness, were sourced from Shenzhen Kejing Star Technology Co., Ltd. Additionally, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), vanadium dioxide (VO₂), and zinc sulfate heptahydrate (ZnSO₄•7H₂O) were obtained from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. The conductive component, Super P carbon black, was supplied by Jiangsu Shenzhou Carbon Co., Ltd., while methylsulfonamide (MSA) and glycerol (GL) were acquired from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. All materials and chemicals were of analytical grade and were employed without further purification, ensuring the integrity of the experimental results.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate significant correlations between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting that the results are not due to random chance.
Additionally, the results demonstrate a clear trend in the behavior of the system, as illustrated by the plotted graphs and tables included in the section. These findings contribute to the existing body of knowledge by confirming previous hypotheses and providing new insights into the mechanisms at play. Overall, the results underscore the importance of the studied variables and their implications for future research in the field.
Discussion
In this section, the research discusses the preparation and characterization of various electrolytes, particularly focusing on a 2 M ZnSO₄ (ZSO) electrolyte and modified formulations incorporating glycerol (GL) and methylsulfonamide (MSA). The preparation involved dissolving ZnSO₄•7H₂O in deionized water and mixing it with GL and MSA in specific volume ratios. Characterization techniques such as FE-SEM, TEM, EDX, XPS, and XRD were employed to analyze the morphology and crystalline structure of the samples. The electrochemical performance was assessed using Zn||Zn symmetric cells and Zn||Ti half-cells, revealing that the modified electrolyte ZW₅G₅M₁ effectively suppresses hydrogen evolution reactions (HER) and enhances cycling stability.
The study highlights the influence of GL and MSA on the solvation structure and hydrogen bonding network, demonstrating that GL preferentially coordinates with Zn²⁺ ions, thereby reducing the number of coordinated water molecules and inhibiting HER. The introduction of MSA further enhances ion mobility and stabilizes the electrolyte by disrupting the hydrogen-bond network. Differential scanning calorimetry (DSC) results indicate that the ZW₅G₅M₁ electrolyte exhibits a significantly lower freezing point compared to ZSO, confirming its anti-freezing properties. Additionally, the formation of a solid electrolyte interphase (SEI) on the Zn anode, facilitated by GL and MSA, provides protection against corrosion and HER, as evidenced by XPS and TOF-SIMS analyses. Overall, the optimal electrolyte composition ZW₅G₅M₁ balances ionic conductivity and HER suppression, promoting uniform Zn deposition and enhancing the longevity of the Zn anode.