中南大学常智团队最新Small：通过仿生缓冲添加剂工程实现超稳定水系锌金属电池

第一作者：刘成骏

通讯作者：李思杰*，常智*

单位：中南大学

水系锌金属电池（AZMB）具有固有的安全性、低成本和环保特性，使其成为大规模储能的首选方案。然而，严重的副反应和锌沉积不均匀问题阻碍了其发展，这些缺陷导致库仑效率（CE）和循环寿命下降。近年来，为解决AZMB面临的诸多挑战，研究人员探索了多种策略，其中电解液添加剂作为提升锌阳极性能最便捷经济的途径尤为突出。尽管已有大量电解液添加剂被报道，但多数功能有限，往往仅依赖单一改性机制。这种局限性导致阳极性能未达最优，阻碍了其在AZMB中的实际应用。

近日，来自中南大学常智教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Ultra-Stable Aqueous Zinc-Metal Batteries Achieved via Bio-Inspired Buffer Additive Engineering”的研究文章。团队提出一种基于多功能生物缓冲剂N-三(羟甲基)甲氨基-2-羟基丙磺酸（TAPSO）的仿生缓冲剂工程策略。该策略通过调控锌离子配位化学特性来降低水的反应活性，显著抑制了氢气析出与腐蚀反应。同时，该策略构建了保护性阳极-电解质界面，并重构了氢键网络，从而共同抑制了枝状晶生长及有害副产物形成。

静电势（ESP）映射显示，磺酸基团和羟基中的氧原子具有最高电负性，表明TAPSO可通过这些基团吸附于锌阳极。吸附能计算结果表明，TAPSO优先吸附于Zn表面，减轻了水诱导的副反应。此外，TAPSO与H₂O的结合能低于H₂O-H₂O，表明TAPSO优先结合H₂O分子，从而破坏活性水分子间自由氢键网络。通过X射线光电子能谱（XPS）分析了经不同电解液处理的锌金属，通过表面观测到的N 1s峰证实了TAPSO在锌表面的吸附。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示，随着TAPSO浓度增加，O-H弯曲振动峰向更高波数位移，表明强氢键减弱而弱氢键增强。此外，添加TAPSO后SO₄²⁻振动峰亦向高波数位移，进一步证实TAPSO通过置换Zn²⁺溶剂化外壳中的H₂O分子而与Zn²⁺配位。拉曼光谱数据同样凸显TAPSO调控下Zn²⁺-SO₄²⁻相互作用增强。

分别采集了浸没于ZSO和ZSO/0.51 M TAPSO电解液中10天和15天的Zn金属的X射线衍射（XRD）图谱。与浸没在ZSO/0.51 M TAPSO电解液中的锌金属相比，浸没在ZSO电解液中的锌金属表面形成了大量ZSH副产物。线性扫描伏安法（LSV）和线性极化实验（塔菲尔曲线）等进一步验证了耐腐蚀性提升。恒电流测试（CA）和双电层测试（EDLC）等表明TAPSO使锌负极表面的电场均匀化，改变了电双层结构并可能促进Zn²⁺成核，促进了Zn²⁺的均匀沉积。

经ZSO电解液循环的锌金属经三维重建激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）成像后，呈现表面不平整且存在深孔腐蚀的特征。形成鲜明对比的是，在TAPSO电解液中循环的锌金属表面明显更为平滑。扫描电子显微镜（SEM）图像突显了显著差异：在ZSO电解液中循环的锌金属呈现极度混乱的形态，分布着大量ZHS副产物和锌枝晶，相比之下，在ZSO/0.51 M TAPSO电解液中循环的锌金属沉积层呈现高度均匀、平整且洁净的形态，未见明显副产物。背散射电子衍射（EBSD）进一步表明在TAPSO调控下副产物减少且晶粒取向更明确。

经TAPSO修饰Zn||Zn对称电池实现了超过2200小时的史无前例循环寿命，Zn||Cu半电池在1200次循环后仍保持99.72%的高平均充放电效率。值得注意的是，Zn||NH₄V₄O₁₀全电池在2,000次循环后仍保留94.1%的容量。该策略的实用性还通过软包电池得到验证，制造的软包电池在50次循环中稳定输出近40毫安时容量。

总而言之，通过采用仿生缓冲策略，我们首次报道了一种多功能生物缓冲添加剂TAPSO以解决AZMB固有的缺陷。TAPSO分子中的官能团通过三大途径促进锌金属的性能： TAPSO分子中的磺酸根与羟基可选择性吸附于锌金属表面，通过调节电双层形成保护性界面层，并优化Zn²⁺溶剂化结构；此外，极性羟基有助于重组水分子氢键网络，减少水诱导腐蚀及副反应，从而显著抑制锌阳极上副产物与枝晶的形成。这显著提升了锌金属的电化学稳定性和可逆性。凭借这种独特的生物缓冲调节策略，Zn||Zn对称电池实现了超过2200小时的卓越循环寿命，而Zn||Cu半电池在1200次循环中也展现出高达99.72%的平均电化学效率（远优于典型ZSO电解质电池）。此外，Zn||NH₄V₄O₁₀（Zn||NVO）全电池在超长2000次循环后仍保持94.1%的原始容量。更令人振奋的是，实际制备的软包电池在200次循环中保持稳定性能且容量无显著衰减。此外，40mAh软包电池同样展现出优异的循环稳定性。本研究确立了一种变革性范式，旨在推动先进AZMBs在可持续能源存储系统中的应用。

C. Liu, D. Xu, K. Liu, et al. “Ultra-Stable Aqueous Zinc-Metal Batteries Achieved via Bio-Inspired Buffer Additive Engineering.” Small (2025): e11095. 

常智教授简介：博士，教授，升华学者拔尖岗，博士生导师，国家海外高层次青年人才（海外优青），国家重点研发计划首席青年科学家，湖南省科技创新领军人才。博士及博士后师从国际著名电化学专家周豪慎教授。主要从事高比能锂离子/锂金属电池功能电解液，固态电解质，锂/钠离子电池电极材料等方向的研究。近五年发表SCI论文100余篇，其中以第一及通讯作者在Joule，Chem. Soc. Rev., Nat. Commun. (x 3)，Angew. Chem. Int. Ed. (x 5)，Natl. Sci. Rev.，Adv. Mater. (x 2)，Energy Environ. Sci. (x 3)，ACS Nano，Adv. Energy Mater.，Adv. Sci.，Adv. Funct. Mater. (x4)，Energy Storage Mater. (x 2)，Small (x 2)，J. Mater. Chem. A (x 5)等刊物上发表论文超50篇，他引超过8000次，H因子48，申请国家发明专利10项。担任SCI期刊Materials、Journal of Energy Chemistry客座编辑，eScience期刊青年编委以及Nature, Nature Sustainability，Nat. Com., AM,  Angew,  EES,  JACS,  AFM,  AEM,  EnSM等国际期刊的审稿人。

刘成骏，中南大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要从事高性能锂/锌二次电池电极、电解液材料研发。以第一作者身份在Small上发表相关研究论文1篇。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/zhichang-csu（能源界面电化学实验室）