贵州大学黄俊特聘教授/南昌大学陈义旺教授Angew封面论文：具有物理/化学协同调控机制的胶体电解质助力长寿命锌电池

高倍率性能和长寿命是电化学储能技术走向规模化应用的两大关键参数。可充电水系锌离子电池（AZIBs）被认为是下一代大规模储能系统的有力竞争者，但恶劣的配位环境和糟糕的界面化学（析氢反应、腐蚀和枝晶生长）导致其库仑效率低和寿命短，特别是在高电流密度和大面积容量下。众多策略致力于解决这一问题，在这些策略中，功能性电解液添加剂由于其有高效、简单和易于操作等优势，在调节锌配位环境和优化电极/电解质界面以实现均匀的锌沉积方面发挥着至关重要的作用。

尽管现有报道的电解液添加剂在提高锌阳极的倍率能力和循环寿命方面表现出巨大的优势，但在极端条件下（特别是在高电流密度和大面积容量下），表现出相对较差的电化学性能、低可操作性和安全性差，这极大限制了AZIBs的性能水平。造成这一困境的主要原因在于目前电解液添加剂单一的功能和贫瘠的优化能力。同时，这些添加剂中的大多数具有毒性、易燃性、不稳定性和易牺牲等缺陷。因此，开发一种具有多重作用机制和优异优化性能的多功能电解液添加剂，对于实现AZIBs的高倍率和长寿命至关重要。特别地，这种多功能电解液添加剂应满足以下条件：物理屏蔽层、功能性化学官能团、均匀化电场、均匀化浓度场、动态保护、优异的去溶剂能力以及绿色环保。因此，探索具有这些特征的电解液添加剂材料以高效抑制锌枝晶并促进AZIBs在高电流密度和大面积容量下的稳定运行是非常重要的。

针对以上问题，贵州大学黄俊特聘教授、南昌大学陈义旺教授团队在前期的工作中，报道了一种多功能纤维素纳米晶（CNCs，一种生物基、纳米级的环保材料，具有独特的物理和化学特性，如高纵横比、高热稳定性、丰富的表面官能团和自组装性能）电解液添加剂用于优化锌离子配位环境和增强界面化学，实现了超高倍率性能和超稳定的锌阳极。研究发现，得益于CNCs独特的物理和化学特性，CNCs电解液添加剂不仅能作为快速离子载体以提升锌离子的扩散动力学，而且能够优化锌离子配位环境和形成增强界面化学的动态的、自修复的界面保护层。基于这种多功能的电解液添加剂优化策略，即使是在极端条件下（140 mA cm^-2），也能实现超高的库伦效率（97.27%）、超长的循环寿命（50 mA cm^-2, 50 mAh cm^-2下超过982小时）、超高的倍率性能（5 ~ 60 mA cm^-2, 5 ~ 60 mAh cm^-2），即使在高深度放电（DOD: 85.4%）下也具有较高的平均库伦效率（99.6%）和高稳定性。同时，组装的Zn//MnO2全电池也表现出优异的倍率性能和循环稳定性。所提出的策略证明了同时具有物理和化学特性的电解液添加剂对锌离子的电化学行为调控的重要性，并且可能也适用于其他金属离子电池（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202319051. ESI Highly Cited Paper）。

进一步地，该团队近日在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Bridging Electrolyte Bulk and Interfacial Chemistry: Dynamic Protective Strategy Enable Ultra-Long Lifespan Aqueous Zinc Batteries”的Inside Front Cover研究论文。该研究利用甲壳素纳米晶体（ChNCs）的物理和化学协同效应，将其作为优异的胶体电解质，在电解质主体与界面化学之间架起桥梁，从而实现超长寿命的AZIBs。这一独特策略不仅能够持续优化改善电池内的电解质主体环境和界面，还可以实现对内外机械损伤的自修复，从而实现全面、持久和动态的保护。因此，采用这一胶体电解质的锌电池在5~100 mA cm^-2的电流密度范围内表现出97.71%~99.81%的高库仑效率，并实现了高达8200小时（超过11个月）的超长循环寿命。此外，基于Zn//MnO₂全电池在5 A g-1的电流密度下，经过3000次循环后仍能保持70.1%的容量。这一动态保护策略为攻克水系锌化学的寿命瓶颈提供了新思路，也为构建更优异的AZIBs及其相关电化学储能系统开辟了新的途径。

综上所述，该研究提出了一种以桥接优化电解质主体和界面化学的动态保护策略，助力实现了超长循环寿命的AZIBs。设计的ChNCs具有协调的物理和化学相互作用，不仅具有调节电解质环境和增强界面化学的作用，而且在循环过程中通过在电解质和界面之间反复穿梭以实现动态修复，从而实现高效和稳定的AZIBs。无论是电池内部发生有害的化学反应，还是内部引起的机械损伤和外部物理破坏，这种动态保护策略都能继续提供持续的保护，赋予电池自修复的能力，从而显著延长其使用寿命。含ChNCs/ZnSO₄胶体电解质的锌电池性能得到了显著提升：在5~100 mA cm⁻² 的电流密度范围内具有97.71%~99.81%的高库仑效率，在5~50 mA cm⁻² 和5 mAh cm⁻² 条件下表现出优异的倍率性能，并在1 mA cm⁻² 和1 mAh cm⁻²条件下实现了超过8200小时的超长服役寿命，同时Zn//MnO₂ 全电池也表现出良好的稳定性。该研究为实现调节电解质主体与增强界面化学的动态保护策略提供了新的视角，揭示了先进AZIBs延长服役寿命的潜力。

陈义旺，南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”科技创新领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴。2019年起历任江西师范大学副校长，副书记，2022年任赣南师范大学校长，南昌大学高分子及能源化学研究院院长，江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室主任，江西省化学化工学会理事长，中国化学会会士，教育部科技委委员，《Chinese J. Polym. Sci.》《Science China Materials》《eScience》《Fundamental Research》等编委。主持和完成国家自然科学基金重点项目/中德国际合作项目等、科技部973前期研究专项等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利49项；撰写中英文专著2部，教材2部。作为第一完成人获江西省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、获日内瓦国际发明展金奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新奖、江西省教学成果一等奖1项和二等奖3项、中国侨界贡献奖、获全国宝钢优秀教师奖。