金属锌（Zn）凭借其较高的理论比容量、储量丰富、成本低廉和环境友好等诸多优点，被视为水系电池理想的负极材料之一。然而，金属Zn易于在碱性溶液中发生化学反应导致库伦效率下降、枝晶生长以及水消耗等问题，导致电池循环寿命大幅减短。马里兰大学Chunsheng Wang教授课题组牵头设计制备了全新的超高浓度的Zn离子水系电解质，应用于Zn离子电池，有效地抑制了枝晶的形成，从而显著地增强电池性能和循环寿命。研究人员将1摩尔的双三氟甲烷磺酰亚锌（Zn(TFSI)2）、20摩尔双三氟甲烷磺酰亚胺锂 （LiTFSI）和水溶剂混合配置成pH为中性的高浓度Zn离子电解质，随后与Zn负极组成半电池进行恒电流循环测试。结果显示，基于中性高浓度锌离子电解质的半电池循环次数可达500余次，即循环寿命长达170小时；相反，采用传统碱性电解质循环寿命大幅缩减至5小时。扫描电镜表征显示，采用中性高浓度锌离子电解质电池Zn电极表面循环反应前后均呈现光滑的表面，即没有枝晶形成，而采用碱性电解质的电池Zn电极则出现明显的“树突”状枝晶。随后研究人员将制备的中性高浓度锌离子电解质、锂锰氧（LiMn2O4）正极、Zn负极组装成完整的纽扣电池，并测试了电池的电化学性能。在0.4C倍率下，电池能量密度可达180 Wh kg–1，经过4000次循环后，电池仍可保持85%的初始容量，库伦效率近100%；而将该电解质应用于以氧气为正极的的Zn空气电池中同样获得了优异的性能，即电池能量密度可达300 Wh kg–1，循环次数达200余次。上述结果表明，新型的高浓度中性Zn离子电解质能够有效地抑制充放电循环中枝晶的形成，从而显著改善电池循环稳定性和寿命。而结构表征、谱学研究以及分子动力学综合研究揭露了该电池性能增强原因来源于高浓度水系电解质中Zn2+的溶剂化-保护层结构，即Zn2+周围被大量双三氟甲烷磺酰亚胺阴离子迫包围，避免其与水分子接触从而形成离子对(Zn-TFSI)+，有效抑制(Zn-(H2O)6)2+的形成，进而避免化学惰性的氧化锌枝晶的形成。该项研究设计制备了新型的高浓度水系锌离子电解质，有效地抑制了锂枝晶的形成，增强了电池性能和循环寿命。为设计和开发高性能的可逆锌金属电池开辟了全新的道路，并为其他类型的不可逆电池提供了借鉴。相关研究工作发表在《Nature Materials》 。
