海南大学史晓东&田新龙教授锌碘电池EES：氨基酸添加剂实现多碘化物快速转化动力学

凭借高比容量、本质安全性和低成本的优势，锌碘电池正成为大规模电网储能极具前景的候选方案。基于高可逆的Zn²⁺/Zn和I^-/I₂氧化还原对，这些系统规避了困扰许多其他电池化学体系的缓慢固态相变问题。然而锌碘电池的实际应用受到正极侧多碘化物穿梭效应以及锌负极腐蚀和副反应等问题的阻碍，这些问题导致不可逆的容量衰减，缩短电池寿命。电解液添加剂工程是一种简单有效且低成本的方法，比起以往电极保护策略更适合大规模的推广。电解质工程已被确定为解决这些界面挑战的关键策略。尽管像“盐包水”、凝胶或固态电解质等方法在降低自由水活性和物理阻断穿梭效应方面已显示出一定成效，但它们往往会带来一个稳定性与动力学之间的矛盾。增强稳定性的致密结构通常会牺牲离子电导率并减缓反应动力学，而高导电性的配方往往缺乏精确的分子水平调控能力。因此，向传统电解液中添加功能分子已成为一种更具通用性且成本效益更高的方法。然而，大多数添加剂都是单功能的，要么针对负极，要么针对正极，而对于如何使用单一添加剂来解决两个电极上的耦合不稳定性，人们的全面理解仍处于初级阶段。

本研究引入氨基酸衍生物D-青霉胺（DPL）作为整个锌碘体系的分子级介质，DPL的富电子基团（-SH、-NH₂、-COOH）旨在催化锚定碘物种，从源头阻断多碘化物穿梭路径，同时其优先吸附性和有利的电子结构旨在形成坚固的保护性界面相，该界面相可调节Zn²⁺的溶剂化环境，以引导均匀、无枝晶的沉积。与受固有问题困扰的传统锌碘电池不同，我们采用单一分子介质来实现双功能调控的策略，旨在平衡“稳定性-动力学”权衡，并为耐用且实用的锌碘电池提供一条途径。

为了阐明DPL与多碘化物之间的相互作用，将光谱表征与密度泛函理论（DFT）计算相结合，系统分析了DPL对多碘化物的作用机制和影响。静电势图表明，DPL广泛的缺电子区域可吸附锚定 I^-、I₃^-、I₅^-等阴离子碘物种，而 S、N、O 杂原子上的富电子区域能催化多碘化物转化为I^-，分子轨道（MO）分析显示，DPL更高的 HOMO 能级使其更易被氧化，进而可在负极界面形成保护层。红外和I₃^-吸附紫外光谱结果进一步显示，DPL的- SH、-NH₂及 – COO-/-COOH基团是其与I₃^-的主要结合位点，二者相互作用后峰强度显著减弱，表明多碘化物被快速化学消耗。吸附能计算表明，DPL对I^-的吸附作用尤为显著；这种对I^-的优先且强有力的锚定可使I₂ + I^- ⇋ I₃^-平衡左移，从根本上抑制引发穿梭效应的可溶性多碘化物生成。I₂溶液中紫外光谱的动态变化和吉布斯自由能计算进一步证实，DPL对碘氧化还原反应（IRR）具有显著催化作用，可以从根本上加快碘转化动力学，加速I₂→I₃^-→I^-的转化进程。

电化学测试证实 DPL可赋予锌碘电池显著动力学优势：采用DPL电解液使电池电子转移加快且可逆性高，塔菲尔（Tafel）分析进一步量化了这种动力学增强效果。原位电化学阻抗谱（EIS）结果显示出更快的氧化还原动力学与离子扩散。这些优势带来优异的倍率性能、宽温耐受性及卓越循环稳定性（1 A g^-1下3000 次循环容量保持率为81.1%，10 A g^-1下12000 次循环容量保持率为87.6%）。

原位拉曼与原位紫外技术揭示了DPL消除多碘化物穿梭效应的作用机制：拉曼光谱监测发现， DPL电解液中I₃^-、I₅^-信号被显著抑制；紫外可见光谱证实， DPL电解液在循环中几乎无I₃^-。综合示意图可以直观地表明，DPL通过将碘物种锚定在正极表面并在电解液中中和，有效消除了多碘化物穿梭效应。

DPL可重构锌金属负极界面的Zn²⁺溶剂化环境，径向分布函数分析表明，其引入降低了H₂O与Zn²⁺的配位数，同时增加SO₄^2-参与度。DFT模拟证实，重构的Zn(H₂O)₄SO₄溶剂化鞘层去溶剂化步骤更少、能垒更低，这种优化的去溶剂化路径直接转化为Zn²⁺沉积/剥离动力学的增强，Zn²⁺去溶剂化活化能也显著降低。电化学性能验证显示，DPL体系下Zn||Cu半电池2000次循环库仑效率高达99.5%，Zn||Zn对称电池在5 mA cm^-2、10 mA cm^-2电流密度下分别可稳定循环超1500小时、1350小时。

DPL组装的高碘负载（14.7 mg cm^-2）软包电池表现出优异电化学性能与实用价值：0.5 A g^-1下初始容量160 mA h g^-1，100次循环容量保持率95.2%、库仑效率近100%；还具有出色的倍率性能，0.1 A g^-1可逆容量达181.9 mA h g^-1，1.5 A g^-1下仍有117.8 mA h g^-1；三节串联软包电池可成功为小型风扇和“HNU”LED面板供电，验证了实用价值，并且安全性优异，穿刺、剪切等滥用条件下仍能安全供电，无短路、热失控等风险。

本研究验证了一种解决锌碘电池界面不稳定性的新策略，即采用双功能氨基酸衍生物DPL作为分子级介质。在正极，其官能团通过催化作用锚定并转化多碘化物，从源头上有效抑制穿梭效应。同时，在负极，其优先吸附性和有利的电子结构能够形成保护性界面相，该界面相可重构Zn²⁺的溶剂化环境，引导Zn²⁺均匀、无枝晶沉积。这些协同的分子级调控直接转化为优异的电化学性能，突出表现为在10 A g^-1的电流密度下具有12,000次的超长循环寿命，以及在5 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下对称电池可稳定运行1500小时以上。在碘负载量高达14.7 mg cm^-2的情况下，组装的软包电池在0.5 A g^-1的电流密度下循环100次后，仍能提供160 mAh g^-1的理想可逆容量和95.2%的高容量保持率。这项工作不仅为开发实用且高性能的锌碘电池提供了可靠的解决方案，还为先进电解液的设计提出了新的范式。

Fu, X.; Pan, Y.; Chen, Z.; Li, F.; Yang, Y.; Chen, M.; Tu, H.; Qiu, T.; Xing, Z.; Rao, P.; et al. Amino acid-based functional additive enables fast polyiodide conversion kinetics for durable Zn-I2 batteries. Energy & Environmental Science 2026.

DOI: 10.1039/d5ee06668a.

付莘然，海南大学2023级硕士研究生，导师史晓东副教授，研究方向为锌碘电池多功能电解液添加剂，以第一作者身份在Energy Environ. Sci.期刊发表研究论文1篇。

史晓东副教授，海南大学热带海洋工程材料及评价全国重点实验室固定人员，博士生导师，从事卤素电池和水系锌离子电池应用基础研究工作。近3年以通讯/第一作者身份在Nat. Commun.、Adv. Mater. (3)、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Energy Environ. Sci. (2)、Adv. Energy Mater. (6)等高水平期刊发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利10余项，主持国家自然科学基金、海南省优秀青年基金、海南省重点研发计划等项目，获聘海南省青年联合会第八届委员会委员，担任Nano Materials Science (IF=17.9，中科院1区)、Environmental Chemistry and Safety期刊编委，以及Nano Research Energy、Chin. Chem. Lett.、EcoEnergy、储能科学与技术等期刊青年编委。

田新龙教授，海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年人才；海南大学海洋清洁能源创新团队负责人，团队获2022年海南省自然科学奖一等奖、2023年海南青年五四奖章集体；主要从事海水制氢、海水电池和海水资源提取的研究，在Science等期刊发表论文120余篇；主持国家级项目6项，授权国家发明专利24项、美国发明专利1项；担任全国青联第十四届委员会常委、中国青年科技工作者协会第七届理事、J. Energy Chem., eScience, Carbon Energy等期刊青年编委；获《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖、海南青年五四奖章（2022）等荣誉，入选2025年度科睿唯安交叉领域“全球高被引科学家”。