华东师范大学潘丽坤&徐敏/暨南大学黎晋良，EnSM观点：生物大分子引导超稳定锌负极有效界面层的构建

第一作者：杨佳婍

通讯作者：徐敏*，潘丽坤*，黎晋良*

单位：华东师范大学，暨南大学

水系锌离子电池较锂离子电池具有更低的成本，更高的安全性，并且能够实现快速充电，因此被认为是非常有潜质的新能源电池。然而，锌金属负极在反应过程中容易产生枝晶，从而缩短了电池寿命，阻碍了其实际应用。该工作展示了将生物大分子硫酸软骨素作为电解液添加剂用于水系锌离子电池，能够形成负极/电解液界面层，从而有效抑制枝晶生长。详细研究了其作用机理，为未来的研究提供了方向，有助于加速水系锌离子电池的迅速发展和实际应用。

近日，来自华东师范大学的潘丽坤教授&徐敏研究员与暨南大学黎晋良副研究员合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Biomacromolecule guiding construction of effective interface layer for ultra-stable zinc anode”的研究成果。该工作受生物领域界面优化的启发，将一种生物材料硫酸软骨素(CS)引入到水系锌离子电池的电解质中，从而在锌负极侧构建有效的界面层。这种有效界面层的存在指导均匀迁移，以减轻“尖端效应”，导致锌离子以平坦的方式沉积，为金属负极提供保护功能。该界面层还有效地屏蔽了锌负极和水合物之间的直接接触，从而防止了任何不必要的副反应的发生。利用这些特性，Zn//Zn对称电池实现了1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2下4000 h的超稳定镀锌/剥离性能，具有4 Ah cm^-2的超高服役容量。该观点文章的仿生设计方法为电池领域金属负极的优化提供了一种可行的策略。

为了确定CS在AZIB中的可行性，作者利用分子动力学（MD）模拟CS在环境中的作用，结合径向分布函数（RDF）得出CS可以与Zn²⁺的溶剂化鞘结构相互作用。CS分子凭借大的结合能使其具有重新配置Zn²⁺溶剂化结构的能力，从而减少水锌副反应，促进镀锌和脱锌行为。CS的强吸附能促使CS分子比水分子率先作用于Zn负极，这为Zn和H₂O的接触提供了实质性的障碍。利用前沿分子轨道理论来评估CS分子获得或失去电子的倾向，CS的HOMO值高于H₂O的，这种差异意味着CS更倾向于电子损失从而与Zn负极表面紧密作用，CS在Zn表面吸附的电荷密度差图和电子密度统计的二维等高线图也证明了这个结论。

为了探索CS与Zn表面的相互作用，将Zn片分别浸入水和CS水溶液中10天。扫描电子显微镜(SEM)图像显示，浸泡在水中的锌表面可以观察到巨大的纳米花状颗粒，而浸泡在CS水溶液中的Zn片表面光滑均匀。据XRD结果显示，浸泡后锌箔表面的纳米花状颗粒为ZnO, CS水溶液中锌表面未出现杂质相，充分说明CS可以防止Zn表面与H₂O发生反应。通过原位光学表征了Zn表面在1 mA cm^-2下的枝晶生长情况，在ZnSO₄电解液中，10min后Zn负极表面出现明显的沉积，并且随着时间的增加，枝晶生长的厚度继续增加，导致表面高度粗糙。相比之下，对于CS/ZnSO₄电解质中的Zn负极，在40min后，沉积厚度仅略有增加，锌的表面形貌仍然非常平坦。因此，在合理推测的基础上，推导出CS在锌表面的作用模式。

图3 CS分子构建Zn表面有效界面层的成分

本工作为生物大分子作为电解液添加剂有效抑制枝晶生长、提高电池循环稳定性开拓了思路，详细解析了其作用机理，为生物材料在储能领域的应用提供了启发。最重要的是，深入探寻电池寿命短的原因，从根本上提供了解决方案。

Jiaqi Yang, Meijia Qiu, Mengni Zhu, Chaocang Weng, Yue Li, Peng Sun, Wenjie Mai, Min Xu*, Likun Pan*, Jinliang Li*, Biomacromolecule guiding construction of effective interface layer for ultra-stable zinc anode, 2024,

徐敏研究员：华东师范大学物理与电子科学学院教授、博导、副院长。本科和硕士毕业于南京工业大学，博士毕业于南京大学，在华东师范大学从事博士后研究，随后留校任职。曾获得上海市“青年科技启明星”称号。先后在新加坡南洋理工大学和美国阿克隆大学做访问学者。担任《功能高分子学报》编委；中国化学会纤维素委员会委员。主要研究方向是高分子物理，熟悉高场和低场核磁共振技术在多种材料研究方面的应用，善于利用核磁共振研究复合材料的结构和机理。主持多项国家自然科学基金，作为研究骨干参与国家重点研发项目。发表SCI论文100余篇。

潘丽坤教授：华东师范大学物理与电子科学学院教授、博导。1997、2001和2004年分别毕业于复旦大学应用化学专业（学士）和电子与信息系统专业（辅修）、中科院声学研究所信息与信号处理专业（硕士）、新加坡南洋理工大学微电子专业（博士）。科睿唯安2022年和2021年全球高被引科学家，爱思唯尔2022年和2021年中国高被引学者。已发表SCI论文390余篇，其中第一/通讯作者SCI论文290余篇，被引用26000多次，H指数92被引用26000多次（谷歌学术）。授权了中国发明专利20余项。科睿唯安2022年和2021年全球高被引科学家，爱思唯尔2022年和2021年中国高被引学者，全球前2%顶尖科学家（斯坦福大学），全球顶尖前10万科学家（全球学者库），全球顶尖材料科学家（Research.com）。目前担任SCI期刊 Journal of Colloid and Interface Science的Advisory Board Member、Nanomaterials的Editorial Board Member以及Current Nanoscience的Section Editor。

黎晋良副研究员：暨南大学物理学系，博士，副研究员，2012年本科毕业于华南理工大学，2017博士毕业于华东师范大学，随后加入暨南大学从事博士后工作，2020年入职暨南大学物理学系，从事Li/Na/K/Zn离子电池电极材料开发与电解液设计方面工作。相关成果以第一作者或通讯作者在Angew. Chem.、CCS Chem.、Adv. Energy Mater.等高水平期刊发表论文50余篇，论文引用超过5400次, H指数40，入选全球前2%顶尖科学家（斯坦福大学）。广东省自然科学奖二等奖、山西省科技进步奖二等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖获得者；已或授权中国发明专利6件，申请中国发明专利1件，主持1 项国家自然科学基金，2项中国博士后基金，2项广州市基础研究基金。入选2020年度中国博士后科学基金资助者选介。担任广东省材料研究学会青委会委员，国际学术期刊Batteries编委，中文期刊《材料研究与应用》青年编委，国际学术期刊Rare Metals青年编委。