河南工业大学郑新华&东南大学王法星Matter：双亲电荷导向剂双向调控锌溴电池实现15000次稳定循环

第一作者：吴松

通讯作者：郑新华*，王法星*，

单位：河南工业大学，东南大学

大规模储能系统的快速发展需要兼具高安全性、低成本、高能量密度及长循环寿命的电池技术。锌溴电池具有能量密度高、成本低廉、安全性好等优点，但在实际应用中仍面临溴正极易溶解、锌负极副反应多等问题，导致电池自放电明显、循环稳定性不足。本文引入一种两亲性电荷导向剂（ACM），同步稳定正负两极。以十六烷基三甲基溴化铵（CTABr）为典型代表，ACM在锌界面重新分布电荷通量，有效抑制锌沉积/剥离过程中的副反应；同时通过静电作用锚定在固态溴正极表面，防止正极溶解与扩散问题。采用ACM衍生的CTABr3固态溴正极与Zn@Cu负极构建的静态锌溴电池，在1 mAh cm^-2条件下实现稳定循环15000次，优异性能可扩展至50 mAh cm^-2。200 mAh软包电池循环800次以上，在1000 mAh条件下仍保持超过200次循环，实际能量密度约62 Wh kg^-1。该电池模组还能与可再生能源高效集成，并展现出卓越的安全性。

近日，河南工业大学的郑新华与东南大学的王法星教授合作，在国际知名期刊《Matter》上发表相题为“Dual-chemistry regulation by an amphiphilic charge moderator unlocks 15,000 cycles in zinc-bromine batteries”。该观点通过引入两亲性电荷调节剂（ACM），成功同步稳定了电池的正极与负极，为提升锌溴电池的循环寿命和实用性提供了有益的尝试，有望推动锌溴电池在储能领域的进一步应用。

本研究创新性地提出一种两亲性电荷调节剂（Amphiphilic Charge Moderator, ACM），采用十六烷基三甲基溴化铵（CTABr）作为代表物质，实现同时对溴阴极和锌阳极的“双化学调控”。ACM溶解于电解质中，在阴极通过静电作用锚固固态Br物种，抑制其溶解与扩散；在阳极则通过吸附调控电荷分布，引导Zn²⁺均匀成核与沉积，从而协同提升电池整体性能。

研究通过紫外光谱、EDS、XPS及原位拉曼等多种表征手段，揭示了ACM对溴正极的稳定机制。CTABr与溴离子形成稳定的固相复合物CTABr₃，并通过“共同离子效应”与“界面静电屏蔽” 的协同作用，有效抑制了多溴化物的溶解与扩散。充电时，CTA⁺在电场引导下吸附于正极表面，形成带正电的分子层，通过静电排斥力将氧化生成的Br3-限制在界面附近，不仅使反应均一化，还大幅降低了自放电。实验证实，改性后的正极在循环中始终保持溴分布的均匀性与结构的完整性，实现了高度可逆的氧化还原反应。

通过FTIR、电化学测试、原位EIS/DRT及多尺度显微成像技术，系统阐明了ACM对锌负极的稳定作用。其机制主要包含两方面：一是静电屏蔽引导均匀成核：CTA⁺优先吸附于锌表面高曲率部位（如枝晶尖端），形成局部静电屏蔽，引导Zn²⁺向平坦区域沉积，从而将成核过电位从28.5 mV显著降低至9.1 mV，促进致密、无枝晶的锌沉积。二是疏水屏障抑制副反应：CTA⁺的长烷基链在锌表面形成疏水层，有效阻隔水分子接触，并显著抑制析氢反应（HER）。SVET测试直观显示，ACM使锌负极表面电场分布变得极为均匀。

研究表明，CTABr两亲性电荷调节剂显著提升了锌-铜半电池的循环稳定性与可逆性：在2 mAh cm^-2下实现长达2600小时的稳定循环（效率99.82%），并在10–50 mAh cm^-2高面容量下仍保持高效长循环（最高850小时）。放大至200 mAh软包电池中，循环寿命从20小时提升至超160小时，证明该策略具有规模化应用潜力，为高容量锌负极稳定性提供了有效解决方案。

本研究通过在静态锌溴电池中引入CTABr₃修饰，实现了优异的电化学性能：在1 mAh cm^-2下稳定循环超15000次，库伦效率达99.9%；倍率性能突出，30 C下仍保持约1 V放电平台；在1–50 mAh cm^-2宽容量范围内均维持高放电电压（>1.65 V）与高效率（>99.2%），且10 mAh cm^-2下循环2700次保持稳定。该电池在面容量、循环寿命及电流密度方面均显著优于已有研究，展现出良好的实际应用前景。

研究显示，锌溴软包电池在含CTABr电解液中展现出大容量储能潜力：200 mAh电池静置24小时后容量保持率达83.4%，稳定循环超800次，倍率性能良好；1000 mAh电池循环超200次，能量密度约62 Wh kg^-1。此外，四电池模组与风光互补系统成功集成，实现为智能设备供电，验证了其在可再生能源存储中的实际可行性。

Dual-chemistry regulation by an amphiphilic charge moderator unlocks 15,000 cycles in zinc-bromine batteries

郑新华：2023年6月于中国科学技术大学获博士学位，同年7月加入河南工业大学材料科学与工程学院。以第一/通讯作者身份发表在Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv Funct. Mater.、Nano Lett.、Energy Storage Mater.、Mater. Today等期刊发表SCI论文30余篇，申请发明专利8项；主持基金项目3项，包括一项国家自然基金-青年科学基金项目；担任期刊“Frontiers in Photonics”联合编辑，Energy Storage Mater.、Nano Energy、Chem. Energy J.等期刊审稿人；一年锂电公司工作经历（任职研发工程师），Columbia University访问学者；研究工作聚焦于新型水系锌电池的研发，及其初步产业化应用的探索。

王法星：东南大学青年首席教授、博导，九三社员，入选“国家高层次青年人才”项目、国际先进材料学会会士（FIAAM）。2020年获德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden）博士学位，随后于2020年至2021年在德累斯顿工业大学/先进电子制造中心(cfaed)、2021年至2023年在加州大学/劳伦斯·伯克利国家实验室(LBNL)从事研究工作。长期开展电化学能源存储与转化相关的研究工作，目前已在能源和材料领域期刊共发表SCI论文120余篇，引用1.4万余次，H指数60，获授权德国发明专利1项和中国发明专利2项。自2022年至今兼任Chemical Engineering Journal副主编（中科院/JCR一区、IF=13.4），Crystals、Inorganics、Journal of Energy and Sustainability编委以及eScience等多个期刊的青年编委。此外, 担任国家自然科学基金和瑞士国家科学基金评审专家和Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Angew、Adv. Mater.、Mater. Today、Matter、Adv. Energy Mater.等多个期刊的审稿人。主要奖励包括：科睿唯安高被引学者(2022, 交叉领域)和Research.com科学新星奖(Rising Star of Science Award, 2022)。