上海交大黄富强&林天全Angew：双官能区分子定制负极电解质界面，增强锌碳电容器可逆性与稳定性

第一作者：徐阳，陈荆竹，李涛

通讯作者：张世从*，毕辉*，黄富强*，林天全*

单位：上海交通大学，中国科学院上海硅酸盐研究所

水系锌碳电容器以其本征安全性、高功率密度、长寿命、成本效益和环境可持续性，在电网调频、高端装备等应用领域极具吸引力。然而，锌电极的界面副反应和枝晶生长严重制约了其发展。这些问题主要与负极-电解质界面（AEI）的结构以及该界面处Zn²⁺的溶剂化配位紧密相关。现有解决策略主要包括1）调节溶剂化配位（如甲醇、戊内酯等溶剂化电解质），2）引入界面修饰剂（如茶碱、虫草素等），3）开发二元复配体系（如DMSO+聚丙烯腈），以及4）引入双功能分子优化电解质（如二甲基砜、琥珀酰亚胺等）。然而，溶剂化电解质存在高粘度、低离子电导率及过度调控局限；界面修饰剂功能有限，结合锌金属后难进一步调节AEI配位环境；二元复配体系制备过程复杂；双功能分子依靠单官能区担两职，导致用量大、调控与性能不足。这些问题限制了现有策略提升锌电极性能的效果。

有鉴于此，上海交通大学黄富强教授/林天全教授/张世从博士&上硅所毕辉研究员提出双官能区的分子设计理念，筛选的维生素B₆（VB）分子通过“吸附区”和“溶剂化区”分别实现对AEI的稳定构建与离子配位环境优化，有效抑制腐蚀反应，引导无枝晶的锌沉积。得益于此，锌对称电池与锌碳电容器的电化学可逆性与稳定性显著增强。研究成果以“Molecular Customization of Anode-Electrolyte Interfaces for Enhanced Stability and Reversibility in Aqueous Zinc-Carbon Capacitors”为题在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表，科研助理徐阳与博士生陈荆竹、李涛为本文第一作者。

图1 VB分子的双区调节机制

图 2 电解质配位环境和界面物种分布研究

研究了VB对电解质配位环境和界面物种分布的影响，揭示了VB的羟基区与Zn²⁺、H₂O及SO₄^2-的相互作用，明确了VB在电解液中对配位环境的改变机制，以及在AEI区域的聚集行为和界面分布的调节作用。

要点二：AEI性质与离子输运性质表征

图 3 AEI性质与离子输运性质表征

研究了VB对AEI和离子输运性质的调控作用。VB优先通过吡啶氮锚定在表面，降低腐蚀电流，影响锌电极双层电容和腐蚀速率。原位拉曼光谱展示了VB对AEI处Zn²⁺扩散的调节作用。同时，实验和计算分析表明VB调节了Zn²⁺脱溶反应能垒，促进水分子配体释放，确保锌沉积动力学有序。

要点三：Zn在不同电解质的沉积行为研究

图4 Zn在不同电解质的沉积行为研究

研究了Zn在不同电解质中的沉积行为。对比了不同电解质中沉积的初期成核、生长过程、晶体取向及表面形貌等特征，直观地展示了VB定制AEI对界面沉积动力学的调控作用，以及对枝晶生长和腐蚀反应的抑制效果。

要点四：Zn电镀/剥离可逆性研究

图5 Zn电镀/剥离可逆性研究

全面评估了锌电镀/剥离的可逆性。详细分析了VB对电极反应动力学、电极/电解质界面稳定性、循环寿命及库伦效率的增强效果，特别是在高电流密度和高放电深度条件下的性能优化。

要点五：Zn-C电容器和Zn-MVO电池性能

图 6 Zn-C电容器和Zn-MVO电池性能

全面衡量了VB优化电解质对不同储能器件性能的影响。展示了含VB优化电解质的电容器在不同工况下的优异性能，验证了VB优化电解质在不同锌基储能系统中的有效性和适应性，为开发高性能锌基储能器件提供了有力支持。

Yang Xu, Jingzhu Chen, Tao Li, Hexian Ma, Zhuoran Lv, Shicong Zhang, Hui Bi, Fuqiang Huang, Tianquan Lin. Molecular Customization of Anode-Electrolyte Interfaces for Enhanced Stability and Reversibility in Aqueous Zinc-Carbon Capacitors. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202424255.

黄富强：上海交通大学材料学院讲席教授/未来材料创制中心主任，国家重点研发项目首席科学家、国家杰出青基金项目获得者、国家百千万人才工程，中科院（宜兴）战略新兴材料研究院院长。长期从事无机固体化学与新能源材料及器件研究。承担国家重点研发计划等重点、973、863、国家杰青、NSFC重点、中科院重大等60余项课题。以通讯/第一作者在Science、Nat. Mater.、Nat. Phys.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater..等国际期刊发表高影响力论文600余篇，H因子102，他引超42,000余次，多次入选全球高被引科学家。获得授权发明专利110余项（国外10项）。研究成果入选2020年中国科协“科创中国”先导技术榜单。以第一完成人获国家自然科学二等奖1项（2017年）、上海市自然科学一等奖2项（2016年、2019年）。