【能源】扬州大学王天奕联合悉尼科技大学孙兵/汪国秀Angew：多功能自组装生物界面层助力高性能锌金属阳极- 大数跨境

【能源】扬州大学王天奕联合悉尼科技大学孙兵/汪国秀Angew：多功能自组装生物界面层助力高性能锌金属阳极

X-MOL资讯

2024-08-08

导读：扬州大学王天奕副教授、庞欢教授、王赪胤教授与悉尼科技大学孙兵研究员、汪国秀教授等人设计的牛血清蛋白（BSA）电解液添加剂很好地缓解了上述问题。

近年来，水系锌离子电池作为能源储存系统的可行替代方案引起了广泛关注。与传统的锂基和钠基可充电电池不同，锌离子电池采用无毒的水系电解质和丰富的锌金属，突显出其在安全性、环境保护和可持续性方面的优势，特别适用于电网规模的应用。此外，锌金属负极具有较高的理论容量和相对较低的电极电位。然而，尽管具有上述优越特性，锌离子电池的广泛应用面临显著挑战，其中大部分与锌金属负极的电化学性能差有关。首先是锌负极在充放电过程中形成的枝晶，导致电池短路和失效。同时，锌负极容易腐蚀并生成副产物（如Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O）。这些非活性副产物积聚在锌负极表面，阻碍Zn²⁺离子的传输，严重加剧表面钝化并降低电池的循环稳定性。为了实现高性能锌离子电池体系，电解液和电极界面设计尤为关键。其不仅需要满足在锌负极上抑制枝晶和副反应的需求，同时还需要促进均匀的锌沉积。

扬州大学王天奕副教授、庞欢教授、王赪胤教授与悉尼科技大学孙兵研究员、汪国秀教授等人设计的牛血清蛋白（BSA）电解液添加剂很好地缓解了上述问题。选择BSA的原因是因为与其他常规蛋白质相比，BSA独特的载体蛋白分子结构使其能够更好地与Zn²⁺离子螯合，并形成锌离子扩散通道。作为典型的载体蛋白，BSA可以通过螯合Zn²⁺离子并构建离子通道来增强界面对锌的亲和力，促进均匀的Zn²⁺离子流动并促进其均匀沉积。

BSA分子在锌负极上形成复杂的双层结构，具有亲水外层和疏水内层，这对于优化锌离子的迁移和脱溶过程至关重要。亲水外层有效降低了界面水分子的活性，而疏水内层阻止了溶剂化水分子的侵入，促进[Zn(H₂O)₆]²⁺的脱溶，减少了水分子与锌负极的直接接触。这一独特机制有效抑制了锌枝晶的形成，并显著减少了副产物的生成。通过Cryo-EM和XPS蚀刻技术，成功观察并确认了锌金属负极上BSA双层的存在及其详细成分。此外，AIMD模拟和DFT计算证实，BSA可以通过改变电解质的溶剂化结构来增强锌离子的脱溶过程，从而通过引导锌离子在Zn（002）平面上的沉积来提高沉积效率。电化学表征结果突出了BSA双层在增强Zn||Zn对称电池、Zn||Cu半电池和Zn||V₂O₅全电池循环稳定性方面的重要作用。值得注意的是，Zn||Zn电池在10 mA cm⁻²电流密度和1 mAh cm⁻²容量限制下表现出2400小时的稳定循环性能。此外，Zn||V₂O₅电池在5 A g⁻¹的高电流密度下经过4800次循环后仍保持95 mAh g⁻¹的高比容量。该研究为开发安全、无枝晶、高能量密度的锌金属负极用于锌离子电池开辟了新途径。

图1. a) BSA双层在锌负极上形成过程的示意图。b) 锌金属负极的电双层结构示意图。c) 多功能BSA双层的示意图及其对应的锌离子扩散工作机制。d) 分散在水系电解液中的BSA胶束的低温电子显微镜（Cryo-EM）图像。e) Native-PAGE结果显示了BSA和从电解液中回收的BSA在电场中的迁移轨迹。f) 紫外光（UV）下锌金属箔边缘和突起处BSA分布的2.5D荧光图像。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，王天奕副教授、孙兵研究员、汪国秀教授、王赪胤教授为论文共同通讯作者，卢嘉慧为第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Multifunctional Self-Assembled Bio-Interfacial Layers for High-Performance Zinc Metal Anodes

Jiahui Lu, Tianyi Wang, Jian Yang, Xin Shen, Huan Pang, Bing Sun, Guoxiu Wang, Chengyin Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202409838

【通讯作者介绍】

王天奕，副教授，博士生导师，博士毕业于澳大利亚悉尼科技大学，2021年就职于扬州大学化学化工学院，主要从事下一代新型高性能能源存贮转化技术的研发与新型纳米材料的合成运用等研究，运用纳米技术与生物技术相结合，立足物理，化学，生物交叉学科，解决高能量密度能源存储与转化技术稳定性与安全性问题。以第一作者/通讯作者发表工作于Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.，Electrochem. Energy Rev.，Adv. Sci.，J. Mater. Chem. A，Small methods，Chem. Eng. J.等期刊。主持国家自然科学基金青年项目一项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/347381

孙兵，研究员，毕业于澳大利亚悉尼科技大学。目前任职悉尼科技大学清洁能源技术中心高级讲师。主要研究方向为锂金属电池和钠金属电池的新一代电池材料和技术的开发。获得Australian Research Council (ARC) Discovery Early Career Researcher Award 和 ARC Future Fellowship等项目。

汪国秀，教授，澳大利亚悉尼科技大学数学与物理科学学院杰出教授，悉尼科技大学清洁能源研究中心主任，欧洲科学院院士，英国皇家化学会会士，国际电化学学会会士。全球化学和材料学科高被引科学家。研究方向包括锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器、储氢材料、燃料电池、石墨烯和MXene等二维材料以及单原子催化。目前已发表690多篇SCI论文，h-index：148，出版物被引用超过73000次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227

王赪胤，博士，教授，从事分析化学、能源材料化学、催化、环境化学领域的科研工作。在Nature Catalysis，Nature Communications，Chem等国际学术刊物上发表SCI收录论文200余篇, h-index 44 (Web of Science)。

https://www.x-mol.com/university/faculty/14275

【第一作者介绍】

卢嘉慧，博士三年级，就读于扬州大学化学化工学院。2019年本科毕业于东北林业大学，目前在悉尼科技大学交流访学。专注于高性能能源存储与转换技术的研究，重点在新型纳米材料的合成和应用，在对化学、生物和物理等交叉学科进行跨学科研究的基础上，探讨高能量密度能源存储与转换的稳定性和安全性问题的解决方案。以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed、J. Mater. Chem. A、ChemSusChem等期刊发表论文，主持省级科创项目一项。

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