韦伟峰教授、周亮君教授AFM：“起死回生”——螯合作用和界面工程实现长循环/自修复水系锌电池

第一作者：陈钊，许耀文（22级本科生）

通讯作者：周亮君

单位：中南大学粉末冶金全国重点实验室

随着全球对大规模储能系统需求的增长，锂离子电池因成本高、安全性差等问题逐渐显露出局限性。水系锌离子电池凭借锌资源丰富、安全性高、环境友好等优势，成为极具潜力的替代方案。然而，锌负极在循环过程中易出现枝晶生长、析氢反应和腐蚀等问题，严重限制了其实际应用。尽管已有多种策略如界面工程、电解质优化等被提出，但大多数添加剂仍存在毒性强、功能单一、高电流下稳定性不足等缺点。因此，开发一种绿色、多功能、高效的电解质添加剂，是实现AZIBs商业化应用的关键突破点。

近日，来自中南大学的韦伟峰教授、周亮君教授团队提出了一种基于天然二肽左旋肌肽（L-C）的添加剂策略，显著提升了水系锌离子电池中锌负极的循环稳定性并赋予其界面自修复能力。该策略利用L-C分子中丰富的亲锌基团，通过多齿螯合作用重构Zn²⁺的溶剂化结构，减少水分子配位，抑制析氢反应和副产物生成；同时L-C优先吸附于锌负极表面，引导锌沿（101）晶面均匀沉积，形成动态保护层，有效抑制枝晶生长和腐蚀。实验结果表明，添加0.05 M L-C的电解液使Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下实现超过5400小时的超长循环寿命，在5 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²下也超过1100小时。更令人瞩目的是，L-C赋予锌负极优异的自修复能力：短路后的电池可恢复稳定循环超过2000小时，预刻划的锌表面在循环过程中也能完全修复。匹配NH₄V₄O₁₀正极的全电池在5 A g⁻¹下循环2000次后容量保持率高达82.26%，展现出良好的实际应用前景。该工作不仅为设计高效、环保的多功能电解液添加剂提供了新思路，也为实现长寿命、高安全性的水系锌电池提供了重要技术路径。相关成果以题为“Chelation and Interfacial Engineering for Long-Term Cycling and Self-Healing Aqueous Zinc Batteries”发表于国际知名期刊《Advanced Functional Materials》。

受生物体系中多肽调控金属离子稳态的启发，本研究创新性地引入L-C作为多功能电解液添加剂。L-C分子富含羰基、羧基、氨基和咪唑等亲锌基团，可通过多齿螯合作用强力结合Zn²⁺（结合能-28.00 eV，远高于Zn²⁺-H2O的-4.60 eV），有效取代其初级溶剂化鞘中的水分子，将平均配位数从5.45降至5.0，显著降低自由水活性，从而抑制析氢反应和副产物生成。同时，L-C优先吸附于锌负极表面，引导Zn²⁺均匀沉积。

理论计算与实验表征表明，L-C在Zn不同晶面的吸附能存在差异，其在(002)和(100)面吸附更强，从而选择性暴露(101)晶面。六方密堆锌结构中(101)晶面以54.7°倾斜于基底，有利于应变各向同性释放和外延连续性，从根本上抑制枝晶生长。L-C在界面富集形成动态保护层，该层可实时修复沉积缺陷，提升机械稳定性。即便在5 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²的苛刻条件下，Zn||Zn对称电池仍能稳定循环超过1100小时。

研究首次展示了L-C添加剂赋予锌负极惊人的自修复能力。将已在基础电解液循环至短路的锌电极置于含L-C的电解液中重新组装，电池可恢复稳定循环超过2000小时。预刻划有“L”形划痕的锌负极，在含L-C电解液中循环10圈后，表面划痕完全消失，而无添加剂对照组划痕依旧明显。这种动态修复能力源于L-C的持续界面吸附与再调控作用，使得电池具备应对机械损伤和电化学失效的自适应机制。

将L-C应用于Zn||NHVO全电池体系，在近中性的Zn(OTf)₂电解液中（避免酸性条件导致的正极溶解），展现出优异的长期循环稳定性。在5 A g⁻¹的高电流密度下，2000次循环后容量保持率高达82.26%，远优于基础电解液的36.76%。该策略在ZnSO₄和Zn(OTf)₂两种典型电解液中均效果显著，证明了L-C的多功能性和普适性。加之L-C的低毒性、良好生物相容性及成熟的工业化生产背景，该工作为设计环保、高性能、长寿命的水系锌电池提供了极具应用前景的解决方案。

Chelation and Interfacial Engineering for Long-Term Cycling and Self-Healing Aqueous Zinc Batteries

周亮君教授简介：中南大学研究员，博士生导师；中科院院长优秀奖获得者。研究方向为新型储能材料与器件，聚焦宽温域、高比能锂离子电池和钠离子电池。近5年主持国家级科研项目4项，长沙市自然科学基金项目1项，国家重点实验室自主课题1项。获2023年度中国有色金属工业科学技术奖二等奖（排第二）；指导本科生获中南大学创新创业优秀项目和“创响中国”中南大学站“优秀论文奖”；以第一作者/通讯作者在Advanced Functional Materials、Acta Materialia、Energy Storage Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Small、Science China Materials等国际权威期刊上发表高水平学术论文36篇，H-index 37（web of scicence）；申请国家发明专利12项，已授权5项。任Rare Metals、Advanced Powder Materials、Journal of Central South University等期刊青年编委，粉末冶金材料科学与工程特聘编委，能源材料与器件专家委员会常务委员； Chemical Engineering Journal、Energy Storage Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊审稿人。

陈钊，中南大学粉末冶金研究院2022级硕士毕业生，师从周亮君教授。研究方向为锌电池电解液设计，相关成果在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊发表多篇学术论文。