广东工业大学叶明晖&李成超AM: 基于氨基酸类似物界面吸附层通过双重稳定化实现长寿命水系锌碘电池

第一作者：Jinshuo Bu

通讯作者：叶明晖*，李成超*

单位：广东工业大学

锌碘（Zn-I₂）水系电池因其低成本、高安全性和环境友好性，在大规模储能领域具有广阔应用前景。然而，锌负极的腐蚀、析氢反应（HER）以及聚碘化物（如I₃⁻）的穿梭效应严重限制了其循环寿命和库仑效率。现有研究通过电解质添加剂、人工SEI层设计等策略缓解这些问题，但仍面临添加剂功能单一、界面稳定性不足等挑战。例如，吡啶类添加剂虽能调节pH，但其共轭结构限制了电子供体能力。因此，开发兼具抑制锌腐蚀和聚碘化物穿梭的双功能界面调控策略，成为提升锌碘电池性能的关键。

基于此，广东工业大学李成超&叶明晖等引入含N,N-双（2-羟乙基）甘氨酸（BHEG）的电解质添加剂，构建了基于离子-偶极作用的界面吸附层，同时抑制锌负极腐蚀与聚碘化物穿梭，实现了高面积容量（2.99 mAh cm⁻²）和超长循环寿命（2000次）的水系锌碘电池。相关成果发表在Adv. Mater.期刊上，题目为“Interfacial Adsorption Layers Based on Amino Acid Analogues to Enable Dual Stabilization toward Long-Life Aqueous Zinc Iodine Batteries”。

BHEG分子抑制锌负极腐蚀（通过构建“贫水”亥姆霍兹层）和聚碘化物穿梭（通过离子-偶极作用），突破了传统添加剂功能单一的局限。

要点二: 

BHEG通过叔胺 –N(CH₂)₃ 和去质子化羧酸根 –COO⁻，可逆捕获H⁺并中和OH⁻，将Zn界面pH波动控制在0.06以内，显著抑制析氢反应及副产物（如Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O）生成。

要点三: 

BHEG的–OH基团打破Zn²⁺水合溶剂鞘的氢键网络，形成[Zn(H₂O)₅.₂(BHEG)₀.₇]²⁺结构，降低脱溶剂活化能（28.02 kJ mol⁻¹），提升Zn²⁺传输动力学。

要点四: 

在I₂正极高载量（21.5 mg cm⁻²）和低N/P比（3.9）条件下，电池仍保持2.99 mAh cm⁻²的面积容量和2000次循环寿命，推动了水系锌碘电池的实际应用。

图1. (a) BHEG的分子结构。(b) BHEG添加剂及不同浓度电解液的光学照片. 不同电解液的 (c) 拉曼光谱, (d) 傅里叶变换红外光谱, (e) ¹H核磁共振谱图。(f) BE-BHEG电解液的分子动力学模拟和 (g) 对应的径向分布函数。

图2. (a) 集成三电极体系的电化学石英晶体微天平（EQCM）装置示意图，左上插图为Au-QCM电极. (b) 线性扫描伏安（LSV）曲线及对应的 (c) 质量变化数据. (d) BE-BHEG体系中Zn（002）晶面EDL结构的俯视图、(e) 前视图和(f) 斜视图. (g) BE-BHEG中BHEG分子在Zn（002）晶面的相对浓度分布, (h) BE与BE-BHEG中H₂O分子在Zn（002）晶面的相对浓度分布, (i) Zn负极与BE及BE-BHEG电解质的接触角

图3. (a) 三电极体系中的LSV曲线, (b) Tafel曲线。(c-f) 对称Zn//Zn电池的电化学数据。(c) 计时电流（CA）曲线, （d）Zn²⁺迁移数, (e) 去溶剂活化能。 (f) 对称Zn//Zn电池的倍率性能和 (g-i) 循环性能。

图4. 在BE和BE-BHEG中循环后Zn负极的表征：(a,d) 激光共聚焦显微镜（LSCM）图像, (b,e) SEM图像, 和 (c) XRD图谱。(f) 对称Zn//Zn电池循环过程中，水系电解液pH的变化。(g) 集成拉曼光谱装置的对称Zn//Zn电池示意图，(h, i) Zn沉积过程中锌界面SO₄²⁻阴离子在BE和BE-BHEG中的拉曼强度变化图。

图5. (a) H₂O与BHEG分子在Zn（002）晶面的吸附能。(b) BHEG与H₂O的分子轨道（LUMO/HOMO），及BHEG的等值面图。(c) 循环后Zn负极的TOF-SIMS三维元素分布。(d) BHEG通过叔胺-N基团锚定Zn界面并构建“贫水”亥姆霍兹内层（IHP）的示意图。(e) BHEG诱导形成的富氮亲锌SEI层及 (f) 其成分分布。

图6. (a) 基于BE-BHEG的Zn-I₂电池结构示意图。(b,d) 不同I₂载量下的循环性能及(c, e) 对应的充放电曲线。(f) 本研究与文献报道的锌碘电池性能对比。(g,h) 两个串联Zn-I₂软包电池点亮LED阵列的实物照片，及其 (i) 穿刺与 (j) 切割安全测试。

图7. (a) 原位紫外-可见吸收光谱测试装置示意图。(b,c) BE与BE-BHEG中I₃⁻的紫外吸收信号对比图，(d) BHEG叔胺-N基团与聚碘化物的吸附构型及电荷密度差分图。(e) 不同功能基团对聚碘化物的吸附能。(f) BHEG抑制聚碘化物穿梭与锌腐蚀的机制示意图。

Interfacial Adsorption Layers Based on Amino Acid Analogues to Enable Dual Stabilization toward Long-Life Aqueous Zinc Iodine BatteriesJinshuo Bu, Peifen Liu, Genyuan Ou, Minghui Ye,* Zhipeng Wen, Yufei Zhang, Yongchao Tang, Xiaoqing Liu, Cheng Chao Li,* Adv. Mater., 2025, 

叶明晖，广东工业大学副教授，硕士生导师。以第一/通讯作者在Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials, ACS Nano, ACS Energy Letter, Nano Energy等国际期刊上发表SCI收录论文20余篇，合作发表60余篇，H因子30，SCI论文他引次数近3600余次。主持国家自然科学青年基金项目1项，主持省部级项目2项。以广东工业大学为第一完成单位获得2023年度广东省自然科学二等奖（高安全水系锌离子电池材料，R5）。研究方向：(1)电极“液固界面”离子/电子传输行为研究; (2) 低温/高压/长寿命二次水系电池；(3) 基于点击化学的二维材料原子级精准微结构调控。