ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ZNSO₄-LI₂SO₄ ДЛЯ СТАБИЛЬНЫХ ВОДНЫХ ЦИНК-ИОННЫХ БАТАРЕЙ

Водные цинковые аккумуляторы (AZIBs) рассматриваются как одни из наиболее перспективных кандидатов для безопасного, недорогого и экологически чистого накопления энергии. Тем не менее их практическое применение ограничено нестабильностью цинкового анода, вызванной неконтролируемым ростом дендритов, выделением водорода и низкой обратимостью процессов осаждения/растворения цинка. Эти факторы приводят к быстрой деградации емкости и сокращению срока службы батареи. В связи с этим оптимизация электролита является эффективным и доступным подходом к стабилизации анода. Целью работы является систематическая оценка поведения цинкового анода в электролитах различного состава 2M ZnSO₄, 1.5M ZnSO₄ + 0.5M Li₂SO₄, 0.5M ZnSO₄ + 1.5M Li₂SO₄, 1M ZnSO₄ + 1M Li₂SO₄, и 2M Li₂SO₄. Электрохимические характеристики исследованы методами циклической вольтамперометрии (CV), гальваностатического циклирования и после испытаний морфология поверхности анализировалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Данные показали, что добавление Li₂SO₄ в раствор ZnSO₄ существенно изменяет сольватационную оболочку Zn₂+, улучшая обратимость процессов осаждения/растворения и подавляя рост дендритов. Смешанные электролиты продемонстрировали более четкие вольт-амперные профили и меньшую поляризацию по сравнению с одноионными системами. Наиболее сбалансированные характеристики достигнуты в электролите 1M ZnSO₄ + 1M Li₂SO₄ : обеспечены стабильное циклирование, низкое межфазное сопротивление и однородная бездендритная морфология. Таким образом, инженерия электролита является практическим и масштабируемым решением для стабилизации цинковых анодов и открывает путь к созданию высокоэффективных водных аккумуляторов для крупномасштабных систем хранения энергии.

1. Tarascon J.-M., Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 2001, 414, 359–367. https://doi.org/10.1038/35104644

2. Nitta N., Wu F., Lee J.T., Yushin G. Li-ion battery materials: present and future. Mater. Today, 2015, 18, 252–264. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040

3. Parker J.F., et al. Rechargeable nickel–3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithiumion. Science, 2017, 356, 415–419. https://doi.org/10.1126/science.aak9991

4. Rakhman D., et al. Polyacrylamide-based hydrogel electrolyte for modulating water activity in aqueous hybrid batteries. RSC Advances, 2024, 14, 40222–40233. https://doi.org/10.1039/D4RA07551J

5. Konarov A., et al. Innovative hydrogel electrolytes for hybrid zinc-ion batteries. Mechanics and Technologies, 2025, 88, 156–164. http://dx.doi.org/10.55956/PXTX1347

6. Pan H., et al. Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from conversion reactions. Nat. Energy, 2016, 1, 16039. https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.39

7. Zhang N., et al. Rechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries with high energy and power densities. Nat. Commun., 2017, 81, 405. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00467-x

8. Yuan L., et al. Regulation methods for the Zn/electrolyte interphase and the effectiveness evaluation in aqueous Zn-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2021, 14, 5669–5689. https://doi.org/10.1039/D1EE02021H

9. Tang B., Shan L., Liang S., Zhou J. Issues and opportunities facing aqueous zinc-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2019, 12, 3288–3304. https://doi.org/10.1039/C9EE02526J

10. Zhang Q., et al. Interfacial design of dendrite-free zinc anodes for aqueous zinc-ion batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59(32), 13180–13191. https://doi.org/10.1002/anie.202000162

11. Zhang P., et al. Zinc dendrite growth and inhibition strategies, Mat. Today Energy, 2021, 20, 100692. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100692

12. Guo X., et al. Alleviation of dendrite formation on zinc anodes via electrolyte additives. ACS Energy Lett., 2021, 6, 395–403. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02371

13. Dai H., et al. Unraveling chemical origins of dendrite formation in zinc-ion batteries. Nat. Commun., 2024, 15, 5123. https://doi.org/10.1038/s41467-024-52651-5

14. Zhang N., Chen X., Yu M., Niu Z. Materials chemistry for rechargeable zinc-ion batteries. Chem. Soc. Rev., 2020, 49(13), 4203–4219. https://doi.org/10.1039/C9CS00349E

15. Ju Z., et al. Interfacial chemistry in multivalent aqueous batteries: fundamentals, challenges, and advances. Chem. Soc. Rev., 2024, 53(18), 6290–6335. https://doi.org/10.1039/D4CS00474D

16. Zeng X., Zhang X., Qin H., et al. Dendrite-Free Zinc Deposition Induced by a Tridimensional Host for Stable Zinc-Ion Batteries. Adv. Mater., 2021, 33, 2007416. https://doi.org/10.1002/adma.202007416

17. Zhangxing H., et al Electrolyte additive engineering for aqueous Zn ion batteries, Energy Storage Materials, 2022, 51, 733 – 755. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.07.017

18. Yang J., Yin B., Sun Y., et al. Zinc Anode for Mild Aqueous Zinc-Ion Batteries: Challenges, Strategies, and Perspectives. Nano-Micro Lett., 2022, 14, 1029 (Article 78). https://doi.org/10.1007/s40820-021-00782-5

19. Kurmanbayeva I., et al. Tetrapropylammonium Hydroxide as a Zinc Dendrite Growth Suppressor for Rechargeable Aqueous Battery. Front. Energy Res., 2020, 8, 599009. https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.599009

20. Yesibolati N., et al. High performance Zn/LiFePO₄ aqueous rechargeable battery for large scale applications. Electrochim. Acta, 2015, 152, 505–511. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.11.168

21. Shi, X., Xie, J., Wang, J. et al. A weakly solvating electrolyte towards practical rechargeable aqueous zinc-ion batteries. Nat Commun 2024, 15, 302. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44615-y

22. Shen, Q.; Wang, Y.; Han, G.; Li, X.; Yuan, T.; Sun, H.; Gong, Y.; Chen, T. Recent Progress in Electrolyte Additives for Highly Reversible Zinc Anodes in Aqueous Zinc Batteries. Batteries 2023, 9, 284. https://doi.org/10.3390/batteries9050284

23. Kong J. et al. Highly improved aqueous Zn‖ LiMn 2 O 4 hybrid-ion batteries using poly (ethylene glycol) and manganese sulfate as electrolyte additives //Sustainable Energy & Fuels, 8(4), 826-836 (2024). https://doi.org/10.1039/D3SE01295F