黄燕和胡津教授AM观点: 分子极性减弱策略实现高面容量和大尺寸锌金属软包电池

第一作者：于立冬&欧阳珂丰

通讯作者：黄燕*，胡津*

单位：哈尔滨工业大学

大面积、高面容量水系锌离子电池（ZIBs）是实现实际安全储能的关键技术路线。然而，在大尺寸电池中，缓慢的反应动力学、不均匀的外部压力和电场分布会导致电极表面出现局部反应热点。特别是在高面容量下，锌阳极与纽扣电池相比，会表现出更严重的局部枝晶生长和副反应问题，使得大尺寸锌阳极更易失效。电解质设计因其出色的通用性和与规模化制造的兼容性而受到广泛关注。现有电解质改性策略常依赖高极性有机溶剂或添加剂（如葡萄糖、蔗糖等多羟基化合物），这些组分虽然能稳定锌阳极，但其强溶剂化效应或界面吸附往往会损害电解质中或界面处的离子传输效率。此外，由于这些分子通常是非牺牲性的，无法诱导阴离子参与分解，因此在由高面容量引起的剧烈表面形变下，始终缺乏能承受此种形变并激活均匀界面反应的坚固固体电解质界面（SEI）。

近日，哈尔滨工业大学的黄燕教授与胡津教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials (AM)上发表了题为“Molecular Polarity Attenuation Tailors Weak Solvation Structure with Accelerated Kinetics and Robust SEI for High-Areal-Capacity Large-Format Pouch Zn-Based Batteries”的研究论文。该工作提出了一种电解质添加剂的分子极性减弱策略，为锌金属软包电池定制了快速反应动力学的溶剂化结构和混合固体电解质界面（SEI）。基于这种协同的溶剂化-SEI调控，25 cm2的Zn||Zn软包对称电池在40 mAh cm-2的高面容量和10 mA cm-2的电流密度下，实现了前所未有的352小时稳定循环。更重要的是，100 cm2的Zn||I2软包全电池提供了9.8 mAh cm-2的高面容量，并维持了近400小时的稳定循环。

在高面容量、大尺寸条件下，传统电解液中的锌阳极面临严峻挑战。使用2M ZnSO4基础电解液的5×5 cm2软包对称电池在10 mA cm-2下仅0.43小时就因枝晶穿透而短路失效。光学显微镜和电化学阻抗谱分析证实，阳极表面存在高度不均匀的锌沉积、大量副产物和枝晶生长，同时剥离侧也出现不规则的孔洞，表明在高反应面积下锌的溶解也不均匀。10×10 cm2的Zn||I2全电池在第七次充电时也发生电压骤降，凸显了实现大尺寸、高面容量锌金属软包电池稳定运行的巨大难度。

研究提出采用弱极性天然糖苷水杨苷作为电解液添加剂。理论计算与光谱分析（Raman、FTIR）表明，其苯环的吸电子效应减弱了分子极性，诱导形成了富含SO42-的弱溶剂化结构（Zn(H2O)(Salicin(SO4)），显著降低了Zn2+的脱溶剂化能垒（从37.99降至20.62 kJ mol-1），加速了界面动力学。同时，该弱溶剂化结构及其分子本身优先在界面还原分解，与原位诱导的阴离子分解协同，构建了一个富含ZnCO3/ZnO/ZnS、厚度约78纳米的混合固体电解质界面。该SEI兼具良好的亲锌性、离子导电性和机械强度，能适应剧烈界面形变。

形态学表征证明了上述协同机制的有效性。在40 mAh cm-2超高面容量下沉积后（10 mA cm-2），使用水杨苷电解液的锌阳极表现出高度均匀的沉积形貌（平均高度75.4 μm，标准偏差仅3.7 μm），而基础电解液则产生大量枝晶（标准偏差达34.0 μm）。原子力显微镜进一步显示，改性锌阳极表面极其光滑（平均粗糙度Ra=67 nm），远优于对照组（Ra=298 nm）。原位光学显微镜监测也证实，水杨苷调控下的锌沉积为均匀的厚度生长，有效抑制了枝晶的快速生长。

电化学测试验证了该策略的卓越效果。25 cm²的Zn||Zn软包对称电池在40 mAh cm-2（放电深度68%）、10 mA cm-2的极端条件下，实现了352小时的稳定循环，累积电镀容量高达1760 mAh cm-2，性能处于领域前列。在5 mAh cm-2、10 mA cm-2条件下，Zn||Cu软包半电池实现了828次循环，平均库仑效率高达99.82%，累积电镀容量达4140 mAh cm-2，展现了优异的沉积/剥离可逆性和对副反应的有效抑制。

研究最终在全电池层面展示了其实际应用价值。100 cm2的双层Zn||I2软包全电池在3 mA cm-2下稳定循环近400小时，初始面容量高达9.8 mAh cm-2（总容量3.9 Ah），80次循环后容量保持率达66%。该全电池的面积容量和反应面积均超越了多数已报道的软包全电池。倍率性能测试也表明，即使在高达14 mA cm-2的电流密度下，电池仍能稳定工作，且库仑效率始终接近100%，证明了其快速的反应动力学和优异的循环稳定性。

Molecular Polarity Attenuation Tailors Weak Solvation Structure with Accelerated Kinetics and Robust SEI for High-Areal-Capacity Large-Format Pouch Zn-Based Batteries.

黄燕教授简介：哈尔滨工业大学深圳校区教授、博士生导师。入选国家级青年项目，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者。课题组迄今为止已在Nat. Protoc.; Sci. Adv.; Nat. Commun.; Chem. Soc. Rev.; Adv. Mater.; Angew. Chem. Int. Ed.; Energy Environ. Sci.等国际权威期刊发表论文150余篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊引用18000余次，18篇论文被入选为ESI高被引论文。

胡津教授简介：哈尔滨工业大学教授、博士生导师。长期从事金属基复合材料研究，主要方向包括硼酸铝晶须增强铝复合材料界面机制、非连续增强铝复合材料腐蚀行为分析及复合材料表面处理技术优化。在《Corrosion》《Materials Science and Engineering: A》等期刊发表多篇论文，研究涉及复合材料应力腐蚀、激光表面改性等领域。