张雪峰教授/杨涛副教授、张朝峰教授， Anagew论文：多功能分子工程设计实现无枝晶且耐腐蚀锌卤电池

第一作者：董畅、吴鸿波

通讯作者：杨涛、张朝峰、张雪峰

单位：杭州电子科技大学，安徽大学

水系锌离子电池(AZIBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、本征安全性、环境友好性和低成本等优势，被认为是大型电网储能领域极具前景的技术。然而，锌负极在实际应用中面临严峻挑战：枝晶生长、析氢反应(HER)和腐蚀副反应等问题相互关联、协同恶化，严重制约了电池的循环寿命和商业化进程。特别是，现有研究多集中于低-中放电深度(DOD)范围，而高DOD条件下的性能行为严重缺乏探索——这正是实际能量利用中最关键的操作区间。传统电解液添加剂的开发主要依赖经验性试错法，缺乏定量化的设计指导，效率低下且难以推广。因此，建立DOD与循环寿命(CL)的定量关系模型，实现添加剂的理性分子设计，是突破当前瓶颈、推动AZIBs实用化的关键科学问题。

近日，来自杭州电子科技大学的张雪峰教授、杨涛副教授与安徽大学的张朝峰教授合作，在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为"Multifunctional Molecular Engineering Enables Simultaneously Dendrite-Free and Corrosion-Resistant Zinc-Halogen Batteries"的研究论文。该工作建立了DOD-CL普适幂律模型(，探究了不同极性功能基团对电池寿命指数(α)和DOD敏感系数(β)的定量影响规律，并基于此模型指导，筛选出同时含有酰胺(-CONH-)和磺酸(-SO3-)双功能基团的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AS)作为多功能添加剂，实现了锌负极在无枝晶、抗腐蚀方面的突破性进展。

系统组装了三种基准电解质(ZnSO4、Zn(OTf)2、Zn(OAc)2)的Zn||Zn对称电池，在严格控制电流密度、隔膜和温度等外在因素的条件下，首次发现循环寿命与DOD之间遵循普适的幂律关系：。通过对文献报道的多种添加剂体系进行Meta分析，进一步验证了该模型的广泛适用性。基于此模型，作者系统计算了四种典型极性基团(-COOH、-OH、-CONH-、-SO3-)的α和β参数，揭示了"高α-高β"的性能权衡困境——单一基团难以同时实现长本征寿命和深循环耐受性。

基于模型预测，作者提出“双功能基团协同设计策略”：将具有最高α值的磺酸基(--SO3-)与具有最低β值的酰胺基(-CONH-)集成于同一分子中。筛选出的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AS)同时实现了α = 9782.237和β = 0.492，显著优于单一基团添加剂(OTM: α=7303.54, β=1.038; AM: α=2822.3, β=0.52)，成功打破了传统权衡限制。优化后的ZAS电解液(5 mM AS + 2M ZnSO4)在9.6%-76.8% DOD范围内均展现出优异的循环稳定性。

AS通过三重机制协同保护锌负极：(1)界面化学吸附——-CONH-和-SO3-基团在锌表面形成致密保护层，抑制H2O诱导腐蚀和HER，同时静电排斥多碘离子(I3-/ I5-)；(2)溶剂化结构调控——部分取代配位水分子(ACN从5.80降至4.41)，重构氢键网络(强氢键从65.46%降至50.66%)，降低脱溶剂化能垒(Ea从46.88降至33.01 kJ/mol)；(3)杂化SEI构建——与原位产物配位形成有机-无机梯度SEI层(外层AS衍生物，内层ZnO/ZnCO3/ZnS)，抑制枝晶生长。

ZAS电解液实现了多项性能突破：Zn||Zn对称电池大于5000 h循环寿命(1 mA cm-2, 1 mA cm-2)，50倍提升；82%超高DOD下稳定运行550 h；Zn||Cu电池3800次循环，99.9%库仑效率；间歇测试(50 h静置)累计运行大于6000 h。在锌-卤素电池中：Zn||I2电池大于36000次循环(5 A g-1)，容量保持率90.7%；四电子体系5000次循环；Zn||Br₂电池d大于1600次循环，容量保持率87.3%。软包电池在极端形变下正常工作，展现了优异的实用化潜力。

当前对DOD-CL定量关系的理解仍处于起步阶段，这也是未来研究的重要方向。由于锌负极对空气敏感，非原位表征会破坏原有界面结构，因此需要更多的原位表征手段(如原位Raman、原位XRD、原位光学显微镜)来实时监测界面演变过程。冷冻电镜可以有效降低电子束对聚合物/SEI层的损伤，同时低温保护被表征部分的完整性，在本研究方向有广阔应用前景。多尺度模拟(从DFT计算到分子动力学模拟再到有限元分析)可以深入揭示添加剂分子-电极界面相互作用机制，指导未来分子设计。一些其他因素(如温度、湿度、机械压力)对高DOD下界面稳定性的影响也有待系统研究。深入理解DOD相关的衰减机理，建立更完善的理论模型，将有助于开发适用于极端工况(低N/P比、高载量、宽温域)的电解液体系，加速AZIBs从实验室研究向商业化储能应用的转化。

Multifunctional Molecular Engineering Enables Simultaneously Dendrite-Free and Corrosion-Resistant Zinc-Halogen Batteries

张雪峰教授简介：张雪峰，男，1980年出生，辽宁凤城人，教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，2015年-2017年在沈阳东北大学任教授、博导，2017年开始在杭州电子科技大学工作，现为杭州电子科技大学材料与环境工程学院院长。同时兼任中国材料研究学会超材料分会常务理事、中国材料研究学会青年委员会第九届理事、中国复合材料学会高级会员、中国金属学会功能材料分会第五届委员会委员、中国电子材料行业协会磁性材料分会科学技术委员会委员等。张雪峰教授回国以来主持了国家自然科学基金-国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金地区联合重点项目、面上项目，浙江省杰出青年基金等。目前以第一作者或通讯作者发表SCI期刊论文100余篇，总引用3100余次，最高单篇引用700余次，H因子36，包括Phys. Rev. Lett.、Nature Commun.、Angew. Chem.、Adv. Funct. Mater.、Natl. Sci. Rev.、Acta Materialia、Nano Lett.等。成立校企合作基地，同时联合多家业内知名企业共同推动相关材料及技术的工程应用。

杨涛副教授简介：杨涛，工学博士，硕士生导师。主要从事能源材料与器件研究，包括锂离子/金属电池、锌离子电池等，主持国家自然科学面上/青年基金、浙江省自然科学基金探索一般/青年项目，参与国家自然科学和浙江省自然科学基金多项。以第一作者/通讯作者身份在Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater. (6)、Energy Storage Mater.(2)、J. Mater. Sci. Technol.、J. Colloid In�本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。