常智教授、潘安强教授，周豪慎教授Angew观点：螯合添加剂调节锌离子溶剂化学实现高效水系锌金属电池

第一作者：许东明

通讯作者：常智*，潘安强*，周豪慎*

单位：中南大学，南京大学

水系锌金属电池（AZMB）因其安全性高、成本低和环境友好而被视为最有前途的可持续储能设备之一。然而，AZMB往往面临着严重的副反应、析氢反应（HER）和枝晶的不可控生长等问题，尤其是在电池循环过程中，溶剂化的锌离子在到达锌金属表面还原之前，需要脱去参与其溶剂化鞘层的水分子，持续且大量的活性水分子影响了锌金属的稳定性，进而导致AZMB快速的容量衰减、有限的循环寿命、低的库伦效率。为了解决AZMB面临的这些棘手问题，研究者们采取了包括锌金属结构设计、锌合金化、人工SEI构建、隔膜改性等多种策略。其中，电解液添加剂因其简单、有效和低成本而被广泛使用。选择具有特殊官能团的添加剂与锌离子配位，可以减少锌离子溶剂化鞘内的配位水分子，抑制活性水引起的副反应。

近日，来自中南大学常智教授、潘安强教授与南京大学周豪慎教授合作，在国际知名期刊Angew上发表题为“Chelating Additive Regulating Zn-Ion Solvation Chemistry for Highly Efficient Aqueous Zinc-metal Battery”的观点文章。该观点文章发现具有双溶剂化位点的N-乙酰基-ε-己内酰胺（N-ac）作为锌离子电池电解液添加剂时可以极大抑制AZMB中常见的与活性水有关的严重副反应。基于添加剂改性的电解液的锌金属电池实现了优异的库仑效率与循环寿命。

具有双溶剂化位点的添加剂作为锌离子的螯合配体，可以更大程度的取代锌离子溶剂化鞘层中的活性水分子。由于锌离子溶剂化鞘中的H₂O含量被有效抑制，锌离子在还原时释放在锌金属表面处的高活性水进一步减少，大大缓解了水系锌金属电池中常见的与水有关的严重副反应和析氢问题。

N-ac添加剂在锌金属上较强的吸附能使其在锌金属表面形成了一个独特的动态阻挡界面，作为物理屏障层极大地抑制了自由水分子引起的界面副反应，从而提高了锌金属的可逆性与寿命。

根据布拉维定律，晶面的取向在很大程度上取决于离子在不同晶面上的沉积速率。最后暴露的晶面通常具有最低的生长率，而快速生长的晶面则会逐渐消失。因此，Zn（002）面上最低的Zn²⁺沉积率，反而会导致多次循环后Zn（002）面有序晶面的优先暴露。N-ac在Zn(002)晶面上的优先吸附促使多次循环后Zn（002）面的暴露，更有利于平坦致密、无枝晶锌金属负极状态的长期保持。

大部分电解质添加剂一般只能提供与锌离子配位的单溶剂化位点（ASS），这意味着一旦添加到电解质中，只能取代锌离子内的一个水分子，添加ASS添加剂所带来的积极效果并不十分理想。为了最大限度地提高添加剂的效果，可以引入具有多个溶剂化位点的添加剂（即螯合添加剂，ADS），以取代锌离子溶剂化鞘中更多的水分子。相较于传统的水系电解液与含有具有单溶剂化位点（ASS）的添加剂的电解液，在含有具有双溶剂化位点（ADS）的添加剂的电解液中工作的锌金属具有更好的稳定性，同时形成的稳定锌金属-电解质动态界面层会进一步促进锌金属电池性能的提升。这种方法为开发高效AZMB提供了一种新的思路。

Chelating Additive Regulating Zn-Ion Solvation Chemistry for Highly Efficient Aqueous Zinc-metal Battery

常智 教授：中南大学材料科学与工程学院，博士生导师。2022年入选国家海外高层次青年人才项目（海外优青）。目前主持和参与了国家高层次人才项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金青年基金等项目。主要从事高比能锂（钠）离子电池/锂金属电池电解液，功能性隔膜，固态电解质，金属负极保护等方向的研究。近五年发表SCI论文80余篇，其中以第一及通讯作者在Joule，Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，Adv. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Energy Storage Mater.等刊物上发表论文32篇，他引超过5200次，H因子38，申请国家发明专利8项。担任SCI期刊Materials客座编辑，eScience期刊青年编委。

潘安强 教授：中南大学材料科学与工程学院博士生导师, 材料物理系主任，国家高层次青年人才，湖南省科技创新领军人才，中南大学升华学者特聘教授。教育部新世纪优秀人才，湖湘青年英才（科技创新类），湖南省自然科学基金“杰青”获得者。中国材料研究学会青年委员会第八、第九届、第十届理事，湖南省硅酸盐学会理事，主要研究方向包括高比能二次电池器件、超级电容器等。目前主持和参与了国家高层次人才项目、国家高新技术发展计划（863）项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目，湖南省科技创新领军人才，湖南省重点研发计划，湖南省自然科学基金杰出青年基金、教育部新世纪优秀人才等项目10余项；迄今为止以第一作者或通讯作者身份在 Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际期刊上发表论文190余篇。申请发明专利>30项，参加国内外会议并作邀请报告40余次，论文引用>10000次。

周豪慎 教授：南京大学现代工学院教授，中组部国家特聘专家，国家级人才。1985年于南京大学固体物理专业本科毕业，1994年东京大学博士研究生毕业获工学博士学位。长期从事锂二次电池，钠离子电池，固态电池等动力电池和储能电池的研究和开发。曾担任日本国立产业技术综合研究所首席研究员，国立东京大学特聘教授和国立筑波大学教授。在Nature, Nature Materials, Nature Energy, Nature Catalysis, Nature Communications, Science Advances, Joule, Energy and Environmental Science, Journal American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Science Bulletin等学术期刊发表论文500余篇，他引64000余次，H因子超130，授权国内外专利50余件。任中国科学出版社《Science Bulletin》和Elsevier出版社《Energy Storage Materials》副主编，《科学通报》和Wiley出版社《ChemSusChem》编委。

中南大学博士研究生许东明，主要研究方向为锌金属电池，钠离子电池。以第一作者在Angew. Chem. In. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Sci.，Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater，Small Structures，Sci. China Mater.，Adv. Mater. Interfaces等期刊发表文章8篇。