福州大学AFM：分子结构介导双亥姆霍兹平面同步重构，实现高稳定锌金属电池

第一作者：侯浩田、黄一峰

通讯作者：刘明权*，左银泽*，颜蔚*，张久俊*

单位：福州大学材料科学与工程学院，福建省高能电池与新能源装备系统工程研究中心

水系锌金属电池因锌金属理论容量高、氧化还原电位低、储量丰富且安全性优异，成为大规模可再生能源存储的理想候选体系。然而，锌负极面临严重的析氢反应、化学腐蚀以及锌枝晶快速生长等问题，极大制约了其实际应用。电解质添加剂工程作为一种简便、高效的策略，被广泛用于重构双电层、优化锌 / 电解质界面特性，从而提升锌负极的稳定性和界面动力学。但目前多数添加剂仅能实现内 / 外亥姆霍兹平面的单一调控，且分子构型如何决定亥姆霍兹平面结构的分子层面机理尚未明确，开发可协同调控双亥姆霍兹平面的添加剂分子设计策略迫在眉睫。

近日，福州大学张久俊院士团队在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表题为 “Synchronous Reshaping Dual Helmholtz Planes via Molecular Structure Mediation for Robust Zn Metal Batteries” 的研究论文。该工作以谷氨酰胺衍生物为模型体系，提出一种分子构型调控策略，实现了内亥姆霍兹平面（IHP）和外亥姆霍兹平面（OHP）的协同工程化调控。研究揭示了添加剂分子构型与双亥姆霍兹平面结构的构效关系，发现甘氨酰 - L - 谷氨酰胺（Gly-L-Glu）因垂直吸附构型成为最优添加剂，其可同步重构 IHP 和 OHP，有效抑制副反应并加速脱溶动力学，大幅提升锌金属电池的循环稳定性。

选取具有相同极性官能团（–NH₂、–COOH、–CONH–）但分子尺寸和构型不同的四种谷氨酰胺衍生物为电解质添加剂。其中，小分子以近平行方式吸附于锌表面，仅能重构 IHP 以排斥水分子、抑制腐蚀，却因空间位阻不足无法调控 OHP；具有适中分子尺寸，以垂直取向吸附于锌表面，可同时实现 IHP 和 OHP 的协同调控；而支链过长导致空间位阻过大，虽能调控双平面但会增加界面极化和电荷转移电阻。

Gly-L-Glu 的垂直吸附构型可在 IHP 形成致密有序的界面层，有效屏蔽锌电极与水分子的接触，显著抑制析氢和化学腐蚀；同时其分子链延伸至 OHP 区域，重构锌离子溶剂化环境，减少溶剂化鞘层中的水分子数量，提升硫酸根阴离子的配位比例，大幅降低锌离子脱溶能垒，加速脱溶动力学。此外，Gly-L-Glu 富含的电负性亲锌位点可增强界面离子传输，均匀化锌离子沉积通量，实现锌的无枝晶均匀沉积。

电化学测试表明， Zn//Zn 对称电池在 1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻² 条件下实现 7875 h 的超长循环寿命，在 5 mA cm⁻²、5 mAh cm⁻² 的高面容量条件下循环寿命近 4500 h，远优于原始电解液及其他衍生物改性电解液。Zn//Cu 非对称电池在 5 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻² 条件下循环 1600 圈仍保持 99.9% 的平均库伦效率，展现出优异的锌沉积 / 溶出可逆性。将 Gly-L-Glu 改性电解质应用于 Zn//MnO₂全电池，其倍率性能和循环稳定性大幅提升。组装的 Zn//MnO₂软包电池在 3 C 下可稳定循环 100 圈，串联后能成功为手机供电，展现出良好的实际应用潜力。

该工作明确了添加剂分子构型对双亥姆霍兹平面调控的关键作用，建立了 “分子构型 - 双电层结构 - 界面电化学性能” 的构效关系。证明通过精准设计添加剂分子的空间排列和尺寸，可实现 IHP/OHP 的同步重构，从根源上解决锌负极的副反应和枝晶问题。这一分子构型工程策略为水系锌金属电池及其他金属电池的电解质添加剂理性设计提供了全新思路和理论指导，推动高性能金属电池的实际应用。

Synchronous Reshaping Dual Helmholtz Planes via Molecular Structure Mediation for Robust Zn Metal Batteries

通讯作者：刘明权副教授，硕士生导师。长期从事高性能二次电池电极材料的结构调控以及界面性质的研究，包括钠离子电池、锌离子电池等。目前在Advanced Materials（4篇）、Energy Environmental Science、Advanced Functional Materials（2篇）、ACS Energy Letters、Electrochemical Energy Reviews、InfoMat等国际期刊上发表SCI论文30余篇，3 篇ESI高被引论文，Energy Material Advances期刊青年编委，主持国家自然科学基金和福建省自然基金等。

通讯作者：左银泽副教授，硕士生导师，主要从事新能源储能电池电极及催化材料合成方法学研究，新能源储能电池表界面构建及其在充放电过程中原位检测与理论模拟研究，以及新能源电池放大化生产的研究。目前在Nature Communications、 Advanced Materials（×2）、 Electrochemical Energy Reviews、Energy Environmental Science（×2）、Advanced Energy Materials、Angewandte Chemie International Edition等国际期刊发表论文40余篇，授权专利10余项。

通讯作者：颜蔚研究员，1998年于武汉大学取得电化学学士学位，2005年于武汉大学取得分析化学博士学位。2007年于南京大学化学化工学院博士后出站，并加入上海大学理学院，任职可持续能源研究院副院长，副研究员。2022年1月加入福州大学，任职新能源材料与工程研究院执行院长，研究员。主要从事电化学能源存储与转换：包括有Li/Na/K等碱金属离子电池，Li/Na/K等碱金属电池，金属-空气电池，铅碳电池和超级电容器等。

通讯作者：张久俊教授，中国工程院外籍院士，加拿大皇家科学院/工程院/工程研究院三院院士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表科研论文800余篇，被引用91000多次（H-Index为132）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。

为了响应和对接国家“碳达峰碳中和”重要战略决策，由张久俊院士领衔创建福州大学新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）。研究院面向新能源产业，研究前沿理论和先进技术，开发核心材料与关键部件，集成新能源系统与制备新能源装置，培养新能源领域的工程技术与运营管理人才等。研究院下设5个中心，其中氢能和燃料电池中心，主要开展电解水和燃料电池中的核心材料、高性能催化剂以及关键部件MEA膜的研发；先进储能和动力电池中心，主要开展下一代高能量密度电池，包括固态锂基电池和钠基电池等的研发和产业化；CO2捕获和还原中心，主要开展CO2电化学还原低碳燃料生产系统的催化剂以及装置的开发；原位技术中心，主要依托原位测试技术为新能源材料与工程研究提供技术保障与支撑；能源AI中心，主要通过计算机建模和机器学习技术，实现新能源材料与器件的快速筛选和结构设计，以及相关机理探究和过程优化。研究院网站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm