杨正龙教授课题组AFM：两性离子有机多功能添加剂用于稳定可逆水性锌离子电池

随着化石燃料的消耗和环境污染的加剧，人们已经广泛关注到太阳能、风能和水能等可再生清洁能源。由于这些新能源的间歇性和不稳定性，迫切需要安全、可靠和经济的大规模能量存储系统。作为主导的电池技术，锂离子电池已经达到全球市场的主导地位。然而，受到锂、钴飙升的价格和安全问题的影响，研究越来越集中于开发具有高安全性、低成本和理想的能量密度特点的电池系统。近年来，水系锌离子电池（AZIBs）因其环境友好、安全性高和理论容量高等优点被认为是最有前途的下一代高密度储能系统之一。然而，锌金属阳极面临枝晶生长、析氢反应、腐蚀等挑战。而且锌枝晶的持续生长会导致循环寿命较差，库仑效率（CE）降低，死锌的产生，甚至是引发短路。许多研究者付出努力致力于解决这些挑战，如负极设计，电解质工程，和负极保护层。其中，电解质添加剂具有简单、高效、成本低等优点被认为是稳定锌阳极和界面并提高锌金属阳极循环稳定性的直接有效途径。

本工作开发了一种AZIBs的双离子电解液添加剂质子化三甘肽（ggg）。ggg分子在弱酸性ZnSO₄电解质中可以解离为两性离子（阴离子和阳离子）。ggg 中NH³⁺阳离子可以吸附在锌阳极表面，调节Zn²⁺的均匀沉积，抑制锌枝晶的形成。自发解离的阴离子可以重构锌离子的溶剂化配位结构，减少活性水的数量，削弱水的活性，减少副反应（图1）。此外，ggg优化了电解质的理化参数，增强了电极/电解质界面的稳定性（图2）。为进一步探究该溶剂化结构，采用分子动力学模拟了两种电解液体系，计算结果进一步表明ggg分子可以进入到锌离子的溶剂化结构中 （图3）。因此，在具有最佳ggg添加剂的条件下，添加ggg的Zn//Zn对称电池在电流密度为0.5 mA cm⁻²能够实现4500 h的无枝晶循环。即使电流密度达到5 mA cm⁻²，仍然提供400 h的长循环寿命（图4）。

通过对循环后的Zn负极进行XRD、SEM、GIWAXS等测试，证实了含有ggg电解液的Zn负极在循环后表面无明显的枝晶，且未观察到副产物的物相出现，说明添加 ggg可以抑制锌枝晶生长。此外，还证明了在ggg电解液中Zn²⁺的扩散主要以3D扩散为主，且可以有效减缓析氢反应（图5）。最后，ggg添加剂对Zn//MnO₂电池的电化学性能进行了优化，全电池在900次循环后的容量保持率为66.5%（图6）。这项工作提供了一种直接的电解质添加剂策略来抑制副反应的形成和锌枝晶的生长。成果以“Zwitterionic organic multifunctional additive stabilizes electrodes for reversible aqueous Zn-ion batteries”在线发表于Advanced Functional Materials期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202401889）。

同济大学材料科学与工程学院高分子材料系博士研究生张静为论文的第一作者，同济大学杨正龙教授和中科院上海高等研究院朱中杰博士为论文的通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划资助。

Jing Zhang a, Yuexin Liu a, Yangjie Wang b, Zhongjie Zhu b,*, Zhenglong Yang a, *, Zwitterionic organic multifunctional additive stabilizes electrodes for reversible aqueous Zn-ion batteries，Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202401889.