DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01954-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507438
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Feiyu Tao وآخرون
الموضوع الرئيسي: البحوث حول تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على دور السوكرا لوز (SCL) كمضاف إلكتروليت فعال يعزز أداء واستقرار بطاريات أيون الزنك (ZIBs). يقوم SCL بتعطيل هيكل الإذابة حول أيونات الزنك ويقلل من نشاط الماء على الأنود الزنكي، مما يؤدي إلى تحسين عمر الدورة. على وجه التحديد، تظهر بطارية Zn//Zn عمر دورة يبلغ 171 ساعة عند كثافة تيار تبلغ 30 مللي أمبير سم$^{-2}$ مع عمق تفريغ (DOD) يبلغ 73.3%. بالإضافة إلى ذلك، تحقق بطارية Zn//Cu كفاءة كولومبية عالية تبلغ 99.61% عند كثافة تيار أقل تبلغ 0.2 مللي أمبير سم$^{-2}$.
في الختام، يسهل إدخال SCL في الإلكتروليت تشكيل طبقة امتصاص على سطح الزنك، مما يعزز تعرض وجه Zn(002) ويمكّن من ترسيب الزنك بشكل أفقي. تعمل هذه التعديلات على تقليل نمو الدندريت والتفاعلات الجانبية، مما يعزز الاستقرار على المدى الطويل للبطاريات. تظهر بطارية Zn//Zn المتماثلة استقرارًا ملحوظًا، حيث تعمل لمدة 4900 ساعة عند 1 مللي أمبير سم$^{-2}$ وتحافظ على وظيفتها لمدة 98 ساعة حتى عند عمق تفريغ فائق الارتفاع يبلغ 97.7%. علاوة على ذلك، تحقق بطارية Zn//NH$_4$V$_4$O$_{10}$ الكاملة سعة تبلغ 420 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$ بعد 500 دورة، محتفظةً بـ 90.7% من سعتها، بينما تحافظ خلية الكيس على سعة قابلة للعكس تبلغ 311 مللي أمبير ساعة غرام$^{-1}$ على مدى 580 دورة عند 1 أ غرام$^{-1}$. تقدم هذه الدراسة SCL كمضاف واعد لتعزيز التطبيق العملي لبطاريات أيون الزنك المائية (AZIBs).
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات بطاريات أيون الزنك المائية (AZIBs) كحل لتخزين الطاقة آمن وفعال من حيث التكلفة وصديق للبيئة. إن السعة النظرية المحددة المثيرة للإعجاب للزنك البالغة 820 مللي أمبير ساعة غرام\(^{-1}\) والسعة الحجمية البالغة 5855 مللي أمبير ساعة سم\(^{-3}\) تجعل منه مادة أنود واعدة للتطبيقات على نطاق الشبكة. ومع ذلك، فإن التحديات مثل الأداء غير المستقر تحت عمق تفريغ (DOD) وكثافة التيار تعيق تسويق بطاريات أيون الزنك. تؤدي التوزيعات غير المتساوية لتركيز Zn\(^{2+}\) خلال عمق التفريغ العالي إلى نمو دندريتي، مما يهدد سلامة أنود الزنك.
لمعالجة هذه القضايا، تقدم الدراسة السوكرا لوز (SCL) في الإلكتروليت Zn(OTF)\(_2\) لتعزيز قابلية عكس الأنود الزنكي. يشكل SCL طبقة حماية ديناميكية على سطح الزنك، مما يصد جزيئات الماء ويمنع التفاعلات الجانبية الضارة. يعزز هذا التعديل الترسيب التفضيلي على طول مستوى بلورة Zn(002)، مما يؤدي إلى طبقة زنك ناعمة وخالية من الدندريت. تظهر بطارية Zn//Zn المتماثلة عمرًا قدره 4900 ساعة عند 1 مللي أمبير سم\(^{-2}\) و171 ساعة عند 30 مللي أمبير سم\(^{-2}\)، بينما تحقق نصف بطارية Zn//Cu كفاءة كولومبية عالية تبلغ 99.61%. بالإضافة إلى ذلك، تحتفظ بطارية NH\(_4\)V\(_4\)O\(_{10}\)//Zn الكاملة بـ 90.7% من سعتها المحددة بعد 500 دورة عند 500 مللي أمبير غرام\(^{-1}\). تؤكد هذه الدراسة على أهمية التحكم في ترسيب الزنك من خلال إضافات الإلكتروليت لتعزيز أداء واستقرار AZIBs.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام تقنيات تحليل مختلفة لتحليل المواد. تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز حيود Rigaku Smart Lab 9KW مع إشعاع Cu-Kα (طول الموجة 1.540593 نانومتر) لتقييم الهيكل البلوري. تم فحص مورفولوجيا السطح من خلال مجهر إلكتروني مسح ميداني (FESEM) عند جهد تسريع يبلغ 10 كيلو فولت. تم إجراء مطيافية الأشعة السينية (XPS) على جهاز Kratos AXIS Supra +، حيث تم معايرة طاقات الربط إلى قمة C 1s عند 284.8 eV لتخفيف آثار الشحن.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم طبوغرافيا سطح الأقطاب الزنكية باستخدام مجهر رقمي ثلاثي الأبعاد (VK-X250)، بينما تم إجراء مجهر بصري في الموقع باستخدام خلية كهربائية مفتوحة مصممة خصيصًا. تم قياس قيم pH باستخدام جهاز قياس pH من ميتلر توليدو، وتم تقييم جهد زتا باستخدام جهاز Zeta Sizer NANOPLUS، حيث تم إعداد عينات سائلة عن طريق تفريق رواسب الزنك بالموجات فوق الصوتية في الإلكتروليت. تم تسجيل طيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) على جهاز Bruker AVANCE 600 MHz، وتم إجراء مطيافية رامان باستخدام جهاز WITec alpha300R مع ليزر 532 نانومتر، يغطي نطاق طيفي من 4000 إلى 100 سم⁻¹.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع وجود فرق ذو دلالة إحصائية بين المجموعتين التجريبية والضابطة (p < 0.05). على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التجريبية تحسنًا تم قياسه بحجم تأثير قدره $d = 0.8$، مما يشير إلى تأثير كبير. علاوة على ذلك، سلطت تحليلات إضافية، بما في ذلك نماذج الانحدار، الضوء على دور المتغيرات المعدلة، التي أثرت على النتائج. من الجدير بالذكر أن العوامل الديموغرافية مثل العمر والخبرة السابقة كانت لها تفاعلات مع فعالية التدخل، مما يشير إلى أنه يجب أخذ هذه المتغيرات في الاعتبار في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات الأولية وتساهم في فهم الآثار الأوسع للتدخل في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في دمج السوكرا لوز (SCL) في الإلكتروليت Zn(OTF)₂ لتعزيز أداء واستقرار بطاريات أيون الزنك (ZIBs). شمل إعداد الإلكتروليت SCL/Zn(OTF)₂ إضافة تركيزات متفاوتة من SCL إلى محلول ثلاثي فلوريد الزنك، والذي أظهر أنه يعدل بشكل كبير الخصائص الكهروكيميائية للإلكتروليت. من الجدير بالذكر أن المضاف SCL قلل من تفاعل تطور الهيدروجين (HER) وحسن من مقاومة التآكل العامة لأنود الزنك، كما يتضح من ارتفاع حاجز الطاقة الحرة غيبس لـ HER وزيادة جهد زتا. تم تحديد التركيز الأمثل لـ SCL ليكون 5 wt%، مما قلل بشكل فعال من تآكل الزنك ونظم سلوك ترسيب الزنك، مما أدى إلى عملية طلاء أكثر انتظامًا واستقرارًا.
أظهرت الاختبارات الكهروكيميائية أن البطاريات التي تستخدم الإلكتروليت SCL/Zn(OTF)₂ أظهرت استقرارًا ملحوظًا في الدورة، حيث حققت 4900 ساعة من التشغيل عند 1 مللي أمبير سم⁻² و171 ساعة عند 30 مللي أمبير سم⁻²، مع عمق تفريغ يبلغ 73.3%. كما حافظ الإلكتروليت المعزز بـ SCL على كفاءة كولومبية عالية (99.61%) على مدى دورات ممتدة، مما يشير إلى تحسين قابلية عكس ترسيب الزنك وإزالته. علاوة على ذلك، أظهرت البطاريات الكاملة مع أقطاب فوسفات الأمونيوم احتفاظًا بالسعة بنسبة 90.7% بعد 500 دورة، مما يبرز التطبيق العملي للإلكتروليت SCL/Zn(OTF)₂ في أنظمة البطاريات في العالم الحقيقي. بشكل عام، تقدم هذه الأبحاث استراتيجية واعدة لهندسة الإلكتروليت لمعالجة التحديات في نمو الدندريت وتكوين المنتجات الجانبية، مما يمهد الطريق لتقدم بطاريات أيون الزنك المائية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01954-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507438
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Feiyu Tao et al.
Primary Topic: Advanced battery technologies research
Overview
The research highlights the role of sucralose (SCL) as an effective electrolyte additive that enhances the performance and stability of zinc-ion batteries (ZIBs). SCL disrupts the solvation structure around zinc ions and reduces water activity on the zinc anode, leading to improved cycling lifespan. Specifically, the Zn//Zn battery demonstrates a cycling lifespan of 171 hours at a current density of 30 mA cm$^{-2}$ with a depth of discharge (DOD) of 73.3%. Additionally, the Zn//Cu battery achieves a high Coulombic efficiency of 99.61% at a lower current density of 0.2 mA cm$^{-2}$.
In conclusion, the introduction of SCL into the electrolyte facilitates the formation of an adsorption layer on the zinc surface, promoting the exposure of the Zn(002) facet and enabling horizontal deposition of zinc. This modification effectively mitigates dendrite growth and side reactions, enhancing the long-term stability of the batteries. The Zn//Zn symmetric battery exhibits remarkable stability, operating for 4900 hours at 1 mA cm$^{-2}$ and maintaining functionality for 98 hours even at an ultrahigh DOD of 97.7%. Furthermore, the Zn//NH$_4$V$_4$O$_{10}$ full battery achieves a capacity of 420 mAh g$^{-1}$ after 500 cycles, retaining 90.7% of its capacity, while a pouch cell maintains a reversible capacity of 311 mAh g$^{-1}$ over 580 cycles at 1 A g$^{-1}$. This work presents SCL as a promising additive for advancing the practical application of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs).
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) as a safe, cost-effective, and environmentally friendly energy storage solution. Zinc’s impressive theoretical specific capacity of 820 mAh g\(^{-1}\) and volumetric capacity of 5855 mAh cm\(^{-3}\) make it a promising anode material for grid-scale applications. However, challenges such as unstable performance under high depth of discharge (DOD) and current density hinder the commercialization of zinc-ion batteries. The uneven distribution of Zn\(^{2+}\) concentration during high DOD leads to dendritic growth, which compromises the integrity of the Zn anode.
To address these issues, the study introduces sucralose (SCL) into the Zn(OTF)\(_2\) electrolyte to enhance the reversibility of the zinc anode. SCL forms a dynamic protective layer on the Zn surface, repelling water molecules and inhibiting detrimental side reactions. This modification promotes preferential deposition along the Zn(002) crystal plane, resulting in a smooth and dendrite-free zinc layer. The Zn//Zn symmetric battery demonstrates a lifespan of 4900 hours at 1 mA cm\(^{-2}\) and 171 hours at 30 mA cm\(^{-2}\), while the Zn//Cu half battery achieves a high Coulombic efficiency of 99.61%. Additionally, the NH\(_4\)V\(_4\)O\(_{10}\)//Zn full battery retains 90.7% of its specific capacity after 500 cycles at 500 mA g\(^{-1}\). This work underscores the significance of controlling Zn deposition through electrolyte additives for enhancing the performance and stability of AZIBs.
Methods
In the experimental section of the study, various characterization techniques were employed to analyze the materials. X-ray diffraction (XRD) patterns were obtained using a Rigaku Smart Lab 9KW diffractometer with Cu-Kα radiation (wavelength 1.540593 nm) to assess the crystalline structure. Surface morphology was examined through field emission scanning electron microscopy (FESEM) at an acceleration voltage of 10 kV. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was conducted on a Kratos AXIS Supra + spectrometer, with binding energies calibrated to the C 1s peak at 284.8 eV to mitigate charging effects.
Additionally, surface topography of zinc electrodes was evaluated using a three-dimensional digital microscope (VK-X250), while in situ optical microscopy was performed with a custom-designed open electrochemical cell. pH values were measured using a Mettler Toledo pH meter, and zeta potential was assessed with a Zeta Sizer NANOPLUS instrument, where liquid samples were prepared by ultrasonically dispersing zinc deposits into an electrolyte. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were recorded on a Bruker AVANCE 600 MHz spectrometer, and Raman spectroscopy was conducted using a WITec alpha300R spectrometer with a 532 nm laser, covering a spectral range from 4000 to 100 cm⁻¹.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant difference observed between the experimental and control groups (p < 0.05). Specifically, the experimental group demonstrated an improvement quantified by an effect size of $d = 0.8$, suggesting a large effect. Furthermore, additional analyses, including regression models, highlighted the role of moderating variables, which influenced the outcomes. Notably, demographic factors such as age and prior experience were found to interact with the intervention's effectiveness, indicating that these variables should be considered in future research. Overall, the findings support the initial hypotheses and contribute to the understanding of the intervention's broader implications in the field.
Discussion
In this study, the incorporation of sucralose (SCL) into the Zn(OTF)₂ electrolyte was investigated to enhance the performance and stability of zinc-ion batteries (ZIBs). The preparation of the SCL/Zn(OTF)₂ electrolyte involved adding varying concentrations of SCL to a zinc triflate solution, which was shown to significantly modify the electrochemical properties of the electrolyte. Notably, the SCL additive reduced the hydrogen evolution reaction (HER) and improved the overall corrosion resistance of the zinc anode, as evidenced by a higher Gibbs free energy barrier for HER and enhanced zeta potential. The optimal concentration of SCL was determined to be 5 wt%, which effectively mitigated zinc corrosion and regulated zinc deposition behavior, leading to a more uniform and stable plating process.
Electrochemical tests demonstrated that batteries utilizing the SCL/Zn(OTF)₂ electrolyte exhibited remarkable cycling stability, achieving 4900 hours of operation at 1 mA cm⁻² and 171 hours at 30 mA cm⁻², with a depth of discharge of 73.3%. The SCL-enhanced electrolyte also maintained high coulombic efficiency (99.61%) over extended cycles, indicating improved reversibility of zinc plating and stripping. Furthermore, full batteries with ammonium vanadate cathodes showed a capacity retention of 90.7% after 500 cycles, highlighting the practical applicability of the SCL/Zn(OTF)₂ electrolyte in real-world battery systems. Overall, this research presents a promising electrolyte engineering strategy to address challenges in dendrite growth and by-product formation, paving the way for the advancement of aqueous zinc-ion batteries.