上海交通大学，AM双电层导向共晶添加剂助力高放电深度金属锌负极

第一作者：吕辉达

通讯作者：黄富强，支键

水系锌离子电池（AZIBs）因其低安全风险、低成本、环境友好、高理论容量（820 mAh g⁻¹）和适中的氧化还原电位（−0.76 V vs. 标准氢电极）而备受关注，成为大规模储能的潜在候选体系。然而，锌阳极枝晶的生长和严重的副反应严重影响AZIBs的循环可逆性并极大地阻碍了 AZIBs 的实际应用。

近日，来自上海交通大学材料科学与工程学院的黄富强教授与中科院上海硅酸盐研究所支键研究员合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Electric Double Layer Oriented Eutectic Additive Design towards Stable Zn Anodes with A High Depth of Discharge”的研究论文，首次报道了一种双电层导向共晶添加剂，实现了高稳定、高放电深度金属锌负极的构筑。

作为描述电极-电解质界面的公认模型，由内亥姆霍兹平面（IHP）、外亥姆霍兹平面（OHP）和扩散层组成的电双层（EDL）是电化学反应真正发生的位置。因此通过调节双电层中的化学成分，可以有效改变表界面电化学反应。具有分离的正负电荷中心的高度极化分子可以通过静电吸附被引导到双电层中。基于这一假设，如果氢键供体/受体基团与双电层导向的高度极化分子相连，就可以精确调节双电层内的氢键网络，从而抑制 HER。双电层中电荷分布的不均匀性导致了枝晶的生长，也就是通常所说的 “尖端效应”。可以预见的是，在不均匀电场中，高度极化 SEI 前驱体可以在富含电荷的位点上的通过静电吸附而发生富集，促进SEI在该位点的构建，从而抑制枝晶的生长，延长高放电深度的锌金属负极的寿命。

为了验证这一策略，研究者设计了一种三重功能添加剂甘油磷酰胆碱（GPC），将氢键调节、SEI构建和双电层调控结合在一起（图1）。一方面，富含羟基的 GPC分子可以精确调节双电层中的氢键网络，从而抑制 HER。另一方面，GPC分子在锌金属负极表面电荷集中的位点富集，从而形成稳固的富含ZnxPyOz 的固态电解质界面，并终止枝晶生长。在自发形成的富含 ZnxPyOz 的 SEI 保护下，一个高度可逆的锌阳极能够以 45.3% 的高放电深度运行超过 1450 小时（图2）。与此同时，高容量（185.7 mAh g⁻¹）的 Zn||VS2 全电池表现出显著的循环稳定性，即使在 0.1 A g⁻¹（0.5 C）的低电流密度下，在 220 次循环后容量保持率也高达 90.4%。这项研究为高性能水系电池的电解质设计和界面工程提供了启示。

Electric Double Layer Oriented Eutectic Additive Design towards Stable Zn Anodes with A High Depth of Discharge

黄富强教授简介：黄富强教授长期从事无机固体化学与能源材料与器件研究，在多功能复杂化合物设计理论、新材料制备与能源器件研发方面取得了系统性原创成果：提出了“双结构功能区”和“堆积致密因子”固体化学设计理论模型，指导合成了光电、储能、量子等系列新化合物体系；建立了新型无机多功能材料制备技术新范式，发展了“多时空拓扑许可”的材料精准可控制备方法；研制了超越现有性能指标的光伏和储能关键新材料与器件，实现了铜铟镓硒太阳能电池产业化应用，并解决了现有储能电源无法兼顾高能量密度与高功率密度的“双高”储能重大难题。以第一/通讯作者发表论文700余篇，含Science、Nature Phys.、Nature Energy、Nature Catal.、Nature Rev.、Science Adv.、Nature Commun.、Adv. Mater.、JACS、Angew Chem.、AEM、AFM、EES，他引超35000次，H因子90，多次入选全球高被引用科学家。主持国家重点研发计划、科技部973和863、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重大研究计划以及产业化项目40余项。

支键研究员简介：支键研究员现任中国科学院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心独立PI，博士生导师，入选国家级人才青年项目。2013年博士毕业于华东理工大学材料科学与工程专业，同年于上海硅酸盐研究所任助理研究员，2014年至2023年分别于德国雷根斯堡大学、加拿大滑铁卢大学开展博士后研究、任研发科学家，于2023年11月加入上海硅酸盐研究所。支键研究员致力于将界面和晶体化学中孕育出的新方法和新概念引入到电化学储能中，在高安全储能系统新型材料的合成以及关键器件的制备等方向开展了一系列研究工作，以第一作者和通讯作者（含共同一作和共同通讯）发表高水平论文34篇，包括Sci. Adv.（3篇）、Nat. Commun,（1篇）、One Earth（1篇）、Adv. Mater. （1篇）、Adv. Energy Mater.（2篇）等著名国际期刊以及Energy Storage Mater.、J. Inorg. Mater.等优秀国产期刊。在高安全锰酸锂/锌混合离子电池和水系锌离子电池的创新研究成果已成功应用于离网新能源路灯系统以及集装箱储能电堆等领域，申请发明专利9项，授权4项。现担任J. Adv. Ceram.期刊编委。曾获中国石化优秀学生奖、联合利华优秀研究生奖、博士研究生国家奖学金等奖励与荣誉。