武汉工程大学张子帅&刘刚教授， ESM：通过电解液激活花青素正电荷以同时解决水系锌溴电池正负极面临的挑战

第一作者：冯涛

通讯作者：张子帅、刘刚

单位：武汉工程大学

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水系锌溴静态电池凭借其本质安全特性、经济性优势及高达430 Wh kg^-1的理论比能量，在规模化储能领域展现出巨大应用潜力。然而其双电极界面存在的关键科学问题严重制约了电池性能：在正极侧，电化学循环产生的多溴化物（如Br₃^-）易通过浓差扩散迁移至锌负极，引发严重的自放电效应和电极腐蚀，导致库仑效率下降与循环稳定性恶化；在负极侧，不均匀的锌沉积/剥离行为诱发枝晶生长，加之酸性电解质固有的析氢副反应（HER），共同加剧了金属锌的不可逆消耗和电池失效风险。

当前研究多聚焦于单电极优化策略，或通过离子筛膜抑制多溴化物穿梭，或采用界面工程调控锌沉积行为。而传统双功能改性方法往往依赖于引入阳/阴离子型添加剂，这不仅增加了电解质复杂度，更忽视了酸性电解质的本征特性。值得注意的是，尽管锌基电池普遍采用酸性电解液与HER问题直接相关，但如何巧妙利用该酸性环境构建双功能保护机制仍属研究盲区。

本研究创新性地提出天然植物来源、低成本且可生物降解的花青素分子作为智能电解质添加剂。在酸性介质中，花青素分子通过质子化作用形成阳离子特性，这种独特的"自携正电"特性使其无需外源离子即可实现双重功能：一方面，质子化分子通过静电排斥效应有效阻隔多溴阴离子的迁移；另一方面，其优先吸附特性可引导锌离子的均匀沉积，同步抑制枝晶生长和析氢反应。这种基于电解质本征特性开发的"一石二鸟"策略，为高稳定锌溴电池的设计提供了全新的研究范式。

近日，来自武汉工程大学的张子帅&刘刚教授团队，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“An Aqueous Zn||Br₂ Battery by Electrolyte Activating the Positive Charge of Cyanidin Additive to Resolve Challenges of Both Anode and Cathode”的观点文章。该观点文章在不引入额外离子的前提下，利用ZnSO₄电解质的酸性激活花青素的阳离子性质——同时解决了Zn||Br₂电池正负极面临的问题。

水系Zn||Br₂电池的双电极失效机制主要源于锌负极的枝晶生长与析氢反应引发短路及钝化，以及溴正极中多溴化物（如Br₃⁻）穿梭至锌负极导致腐蚀与容量衰减。传统的解决方案多集中在单一电极的优化，如通过限制正极多溴化物的形成或负极界面工程，但这些方法未能有效协同解决双极问题，同时依赖外源离子可能导致电解液失衡。

花青素在酸性ZnSO₄电解液中的双功能保护策略显著提升了Zn||Br₂电池的性能。花青素通过质子化后形成正电特性，能够抑制负极析氢反应、减缓锌负极枝晶生长，延长电池寿命达14倍；同时通过固定多溴化物Br⁻/Br₃⁻并降低转化能垒，优化了溴正极的氧化还原动力学，提高了电池的循环稳定性和效率。这种策略不仅提高了电池的容量和倍率性能，还解决了双电极协同失效的问题。

在电池的界面稳定性和反应动力学优化方面，花青素通过吸附在锌负极表面有效抑制枝晶生长，降低Zn²⁺成核过电势并提升Zn²⁺迁移数，同时减缓析氢反应的发生。在溴正极方面，花青素通过化学络合稳定多溴化物，显著抑制了溴物种的穿梭效应，优化了反应动力学。整个系统通过酸性环境激活花青素的阳离子特性，实现了电解液的pH稳定性与离子电导率的同步提升，从而有效提高了电池的整体性能。

目前，水系Zn||Br₂电池在正负极反应的可逆性和多溴化物穿梭效应方面仍面临挑战，尽管已有一些优化策略。本研究通过花青素在酸性电解液中的双功能保护，解决了正负极的双重问题，展现了显著的性能提升。未来的研究可以进一步探索通过优化电解液成分和结构，开发更加高效的无外源离子的电解液系统，以解决电池中的副反应和容量衰减问题。此外，研究不同电解液的酸碱性对电池性能的影响，将有助于深入理解电池反应的内在机制，并为电池的长周期稳定性提供理论依据。随着电池界面优化和电极保护技术的进步，水系Zn||Br₂电池有望在高性能和长寿命方面取得更大的突破，推动其在实际应用中的推广。

An Aqueous Zn||Br₂ Battery by Electrolyte Activating the Positive Charge of Cyanidin Additive to Resolve Challenges of Both Anode and Cathode,