吉林师范大学田松林， CEJ观点：乙烯基吡咯烷酮（VP）的多功能界面稳定剂实现锌金属电池的超长稳定运行

第一作者：田松林

通讯作者：聂平*，常立民*，刘万强*

单位：吉林师范大学

近年来，锌离子电池因其环保性和经济性而成为一种具有广阔应用前景的水系储能系统，并受到广泛关注。锌负极具有高达820 mAh g^-1的理论容量以及-0.76 V（vs SHE）的低氧化还原电位，在大规模储能领域展现出显著优势。然而，该体系仍面临循环寿命较短、库仑效率较低等关键技术难题，其主要原因在于电极与电解质界面发生的副反应以及锌枝晶的不可控生长。特别是锌枝晶的持续生长会加剧“尖端效应”，可能导致隔膜穿刺，进而引发电池短路等严重问题。此外，水系电解质中的析氢反应（HER）也可能导致电池膨胀，带来潜在的安全隐患。

近日，来自吉林师范大学的田松林，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Ultra-long and rapid operating zinc metal batteries enabled by multifunctional polarizable interface stabilizer”的观点文章。该观点文章分析了乙烯基吡咯烷酮（VP）基电解质稳定剂对于锌负极及锌离子电池的调控及反应机理，从而有提升了锌离子电池的循环稳定性。

这种卓越的性能归功于乙烯基吡咯烷酮（VP）单体作为极化分子偶极电解质添加剂的掺入。VP分子偶极子具有多种优势，包括：i)通过锌缺陷位点的优先吸附，促进锌在电极表面均匀沉积；ii)通过VP分子的选择性分解，形成致密且坚固的固体-电解质间相（SEI）层。通过对锌金属负极表面形貌的直接观察和表面粗糙度的量化，系统地研究了锌金属阳极的压扁效应。此外，还对不同深度结构的化学组成和原子分布进行了表征，以阐明VP添加剂诱导SEI层稳定的机理。此外，还研究了锌晶相的成核和生长行为，证实了锌晶的可控排列。

VP稳定剂具有多种协同优势，可促进金属锌的均匀平面沉积，并有利于形成致密耐用的富含氮化物的固体电解质界面（SEI）。此外，它保留了原始锌芯的完整性，同时沿着（002）晶体平面引导优选的水平晶体生长。通过系统表征，我们观察到VP添加剂诱导了扁平的锌沉积形貌，并形成了薄而均匀的SEI层。非原位表面分析表明，VP介导的电解质分解调节保留了新鲜的锌金属，同时建立了化学稳定的SEI结构。晶体取向分析证实了VP辅助的横向晶体生长没有检测到氧化锌副产物，表明有效抑制了寄生反应。密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明了VP分子与锌缺陷位点之间的结合相互作用。

优化后的电解质体系具有卓越的电化学性能，Zn//Zn对称电池实现了前所未有的循环稳定性（在1mA cm ^{- 2}下循环2400次，在4mA cm ^{- 2}下循环2000次），并且与MnO2正极配对的完整电池显着提高了循环寿命。这种分子工程策略为开发先进的电解质添加剂建立了一个通用的框架，通过同时稳定界面和沉积控制来解决金属负极电池系统中的关键挑战。

Ultra-long and rapid operating zinc metal batteries enabled by multifunctional polarizable interface stabilizer

田松林简介：吉林师范大学讲师，博士师从长春理工大学刘万强教授和吉林大学徐吉静教授，长期从事储能材料的研究和开发。以通讯和第一作者身份在Advanced Energy Materials，Nano Energy，Chemical Engineering Journal，Journal of Colloid and Interface Science，Chinese Chemical Letters 等学术刊物上发表多篇研究论文。