西北师大彭辉、马国富教授团队AEM：梯度动态两性离子界面和贫水溶剂化壳层助力无枝晶锌阳极

第一作者：王丹阳

通讯作者：彭辉*，马国富*

单位：西北师范大学，生态功能高分子材料教育部重点实验室

尽管锌阳极具有高理论容量（820 mAh g−1/5855 mAh cm−3）和低氧化还原电位(-0.76 V)等优势，但其实际应用受限于锌枝晶不可控生长以及伴随的析氢(HER)、腐蚀等副反应，导致库仑效率低和循环寿命短。通过构建固态电解质界面层被认为是有效的解决途径，但现有策略在精确调控界面层的组分、梯度结构，以及构建水分子匮乏型溶剂化鞘层以实现动态界面稳定性方面仍亟待突破。

针对上述瓶颈，本研究提出了一种通过多功能电解质添加剂进行协同调控的创新策略。通过在电解液中引入N-氨甲酰甲基乙磺酸，成功在锌阳极表面原位构筑了具有梯度结构的动态两性离子吸附界面层（DZAI）），并同步将Zn2+的溶剂化鞘层重构为水分子匮乏的[Zn(H2O)2(ACES)4]2+配合物。这种双重调控机制既能实现无枝晶的锌沉积行为，又能显著抑制水引发的副反应。实验结果表明，基于该策略的对称电池在超高电流密度下实现了超760小时的稳定循环和高达99%的库仑效率（CE），并在锌离子电容器中展现出优异的倍率性能与长周期耐久性，为开发高稳定性、可逆的金属锌阳极提供了新思路。

近日，西北师范大学彭辉教授、马国富教授团队针对水系锌离子存储器件中锌阳极的枝晶生长与副反应问题，提出了一种通过N-氨甲酰甲基乙磺酸（ACES）添加剂构建动态两性离子吸附界面层（DZAI）的策略。ACES能够在锌阳极表面原位形成具有梯度结构的DZAI层，并通过重构Zn2+的初级溶剂化鞘层，形成贫水的[Zn(H2O)2(ACES)4]2+配合物。这种双重调控机制有效抑制了枝晶生长与水诱导的副反应，实现了无枝晶的平面锌沉积。实验结果表明，基于该策略的Zn||Zn对称电池在50 mA cm⁻²的高电流密度下稳定循环超过760小时，Zn||Cu电池的平均库仑效率高达99%，锌离子电容器在10000次循环后仍保持99.4%的容量，为开发高稳定性锌阳极提供了有效途径。其成果以题为“Engineering a Gradient Zwitterionic Interphase and Dehydrated Solvation Shell for Dendrite-Free Zn Anodes”在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表。

传统ZnSO₄电解液中，Zn2+以[Zn(H2O)6]²⁺形式存在，导致界面副反应频发，形成疏松多孔的钝化副产物层，进而诱发枝晶生长。引入ACES添加剂后，原位构筑了具有梯度结构的动态两性离子吸附界面层，同时将Zn2+溶剂鞘重构为水分子匮乏的[Zn(H2O)2(ACES)4]2+，实现无枝晶沉积。

通过XPS深度剖析证实，DZAI层中N 1s和S 2p信号随刻蚀时间呈现梯度分布，且ACES分子保持完整结构，表明界面层通过分子吸附而非电化学分解形成。SEM与元素面扫显示C、N、O、S、Zn元素均匀分布于锌阳极表面，证实DZAI层的连续致密性。DFT计算表明，ACES在Zn(101)晶面具有最高吸附能（-1.93 eV），优先吸附抑制该晶面生长，引导Zn2+沿(002)晶面均匀沉积，从晶体学层面解释了DZAI的枝晶抑制机制。

通过理论计算揭示了ACES重构Zn2+溶剂化结构及界面吸附机制。静电势分布显示ACES具有强负电势区域，优先与Zn2+配位；结合能计算表明Zn-ACES（-3.92 eV）低于Zn-H2O（-3.45 eV），热力学驱动ACES取代水分子。HOMO-LUMO能级分析显示ACES带隙（5.27 eV）小于H2O（8.93 eV），电化学稳定性更高；ACES-H2O带隙（4.76 eV）显著低于H2O-H2O（7.61 eV），证实ACES通过强氢键网络固定自由水。径向分布函数与配位数分析表明，ACES将Zn2+溶剂鞘中水分子配位数从6.1降至1.87，形成[Zn(H2O)2 (ACES)4]2+结构，从源头上抑制水诱导副反应。

原子力显微镜与共聚焦显微镜显示，DZAI层诱导的锌沉积表面光滑致密，粗糙度显著低于多孔疏松的PB层。傅里叶变换红外光谱证实，ACES通过-NH3+和-SO₃⁻与水分子形成强氢键网络，重构了界面水结构，且1240 cm⁻¹峰位未移表明其未发生分解。X射线衍射分析表明，DZAI层促进了Zn沿(002)晶面的优先生长。原位光学显微镜动态观察进一步证实，DZAI层能在60分钟内实现无枝晶的均匀锌沉积，有效抑制了析氢与腐蚀。

电化学测试表明，DZAI层显著提升了锌阳极的抗腐蚀性能（腐蚀电流0.426 mA cm⁻²）并抑制析氢反应。EIS显示DZAI完全形成后界面阻抗显著降低（10 Ω vs. 33 Ω）。对称电池测试中，DZAI保护的Zn||Zn电池在50 mA cm-2、25 mAh cm-2条件下稳定循环超760 h，过电位仅0.03 mV。Zn||Cu半电池CV曲线表明DZAI提高了成核过电位，促进均匀沉积，平均库仑效率达99%。以上结果证实DZAI层通过均匀化离子流有效抑制枝晶生长，显著提升锌阳极可逆性与循环稳定性。

为测试含DZAI电解质的普遍试用性组装锌离子电容器，测试其电化学性能。相较于钝化副产物层，DZAI器件极化电压更低（259 mV vs. 276 mV），阻抗显著减小。倍率测试中，DZAI器件在0.1～5 A g-1电流密度下放电容量均更高，且可逆性优异。长循环测试表明，DZAI器件在4 A g-1下循环10000次后容量保持率高达99.4%，而对照组在3000次内即失效。该结果证实DZAI层能有效提升锌离子电容器的倍率性能与循环稳定性。

综上所述，本研究通过引入N-氨甲酰甲基乙磺酸（ACES）作为电解质添加剂，成功在锌阳极表面原位构筑了具有梯度结构的DZAI，并同步将Zn²⁺的初级溶剂化鞘层重构为水分子匮乏的[Zn(H2O)2(ACES)4]²⁺配合物。理论计算与实验表征表明，ACES优先吸附于Zn(101)晶面，引导Zn2+沿(002)晶面均匀沉积，同时通过构建强氢键网络固定自由水分子，从热力学上抑制HER与腐蚀反应。得益于这种协同调控机制，Zn||Zn对称电池在50 mA cm-2、25 mAh cm-2条件下实现超760小时稳定循环，累积电镀容量达19.5 Ah cm-2；Zn||Cu电池平均库仑效率达99%。组装的水系锌离子电容器在4 A g-1下循环10000次后容量保持率高达99.4%。该工作为通过分子设计调控电极/电解液界面化学实现高可逆金属阳极提供了新策略。

Danyang Wang, Jingtian Zeng Ying Tang, Kaifa Dong Xin Wang, Zhe Zhang Hui Peng,* Guofu Ma*, Engineering a Gradient Zwitterionic Interphase and Dehydrated Solvation Shell for Dendrite-Free Zn Anodes, Adv. Energy Mater. 2026, e70829.

彭辉，西北师范大学化学化工学院教授，博士生导师。主要从事新能源材料、生态功能材料方面的研究工作，包括聚合物基低维碳纳米材料、多功能凝胶电解质的制备及新型电化学能源器件的设计研究。迄今，在Chem. Soc. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际知名期刊以第一作者/通讯作者发表SCI论文80余篇。近年来，主持国家自然科学基金项目2项，甘肃省杰出青年基金项目1项，甘肃省教育厅产业支撑计划项目1项等。荣获甘肃省自然科学二等奖（2015年，2025年）和甘肃省自然科学三等奖（2022年）等。

马国富，西北师范大学教授，博士生导师，现任生态功能高分子材料教育部重点实验室副主任。主要从事环境友好功能材料相关研究，包括：生态保持及修复材料、电化学能量转化及储存材料。先后在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Nano、Small等学术期刊发表SCI收录论文130余篇，获授权发明专利10余件；科技成果鉴定、评价4项。主持国家自然科学基金3项，中央引导地方科技发展资金项目1项，甘肃省基础研究创新群体项目1项等。荣获甘肃省高校科技进步一等奖（2014年），甘肃省自然科学二等奖（2015年，2025年），甘肃省自然科学三等奖（2022年）。2022、2023、2024年入选斯坦福大学发布的材料科学、能源技术全球前2%顶尖科学家终身成就榜单。