重庆大学李猛Small：生物亲锌性启发的电解液添加剂促进高性能无枝晶锌离子电池的构建

01【导读】

水基锌离子电池（AZIBs）因其优良的电化学性能和高安全性而在大规模储能器件领域展现出诱人的潜力。与此同时，水性电解质的大规模应用也带来了各种挑战，如不受控制的枝晶生长和副反应，降低了锌负极的循环稳定性。

由于操作简单，生产成本低等优点，近年来引入电解质添加剂被认为是稳定锌负极的有效方法。目前，常见的AZIBs电解质添加剂可分为四种类型，包括离子、有机、无机和金属添加剂。其中，有机添加剂因其在水介质中的高溶解度和独特的调节机制而受到广泛关注。通常，大多数的有机电解质添加剂对金属Zn或Zn²⁺离子具有固有的亲和力，可以取代水合Zn²⁺的溶剂化鞘，或者优先吸附到Zn负极上，从而抑制锌枝晶的形成和界面副反应。尽管取得了一系列进展，但是大多数有机电解质添加剂仍然面临着许多缺点，如毒性高、经济效益低和功能单一。因此，开发具有优异亲锌性的更易操作、更环保的有机添加剂具有重要意义。

02【成果掠影】

近日，重庆大学李猛副教授等人受到真核生物细胞内锌指蛋白中Zn²⁺和氨基酸链之间优异亲和力的启发，并综合考虑经济因素，将甘氨酸（Gly）添加剂加入到水性电解质中以稳定锌负极。结合实验表征和理论计算可知，Gly添加剂的引入不仅可以通过部分取代配位H₂O来重组水合Zn²⁺的溶剂化鞘，而且可以优先吸附到Zn负极上，从而显著抑制枝晶生长和界面副反应。因此，锌负极可以实现超过2000小时的长寿命和在良好的镀锌/剥锌可逆性(98.8%)。此外，在含 Gly添加剂的电解质中，组装的Zn||α-MnO₂全电池也表现出显著的容量保持率(在2 A·g^-1下循环1000次后为82.3%)，展示出良好的应用前景。综上所述，这种创新的生物灵感设计理念将为水性电解质的发展注入新的活力。

相关研究文章以“Electrolyte Regulation of Bio-Inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在Small上。

03【核心创新点】

本文中，作者受到生物细胞内锌指蛋白中锌离子与氨基酸存在优异亲和力的启发，创新性地将Gly作为水性电解质添加剂，助力高性能无枝晶水系锌离子电池的构建。

04【数据概览】

图1、Gly添加剂的生物启发设计理念和相关工作机制的示意图。© 2023 The Authors

图2、a)含/不含甘氨酸的硫酸锌电解液与锌片之间的电解液接触角。b)有/无Gly添加剂的Na₂SO₄溶液中锌箔的微分电容曲线。插图:甘氨酸添加剂优先吸附在锌负极上的示意图。c)H₂O分子、甘氨酸分子和阴离子的LUMO和HOMO能级。具有d) Gly分子和e)对应阴离子在Zn基底沿Z轴和相应等值面的电荷密度差值。f)H₂O、锌、甘氨酸分子和阴离子在锌基底(002)面上的吸附能。插图:相关吸附模型。© 2023 The Authors

图3、a)在150 mV下，在有/没有甘氨酸添加剂的ZnSO₄电解液中的锌片的CA曲线。插图:在各种电解液中锌金属表面上Zn²⁺扩散行为的示意图。b)在10mV s⁻¹下，各种电解质中Ti箔上Zn²⁺成核的CV曲线。c)E_a值由奈奎斯特图获得，使用ZnSO₄电解质中的Zn||Zn对称电池，有/无Gly添加剂。用COMSOL模拟软件模拟了Zn²⁺在d) ZnSO₄和e) ZnSO₄+ Gly电解液中的电镀行为。f)无/有Gly添加剂的ZnSO₄电解质中Zn²⁺成核/生长机制的示意图。© 2023 The Authors

05【成果启示】

本工作受到生物细胞内锌指蛋白中Zn²⁺与氨基酸链之间存在较强亲和力的启发，并综合考虑经济成本与环保因素，将一种低成本、环境友好的多功能Gly添加剂被加入到硫酸锌电解质中以稳定锌负极。结合理论计算和实验表征手段，Gly加剂不仅可以通过部分取代配位的H₂O分子来重塑水合Zn²⁺的溶剂化结构，而且可以优先吸附到Zn金属上以避免不良的“尖端效应”，从而抑制副反应和枝晶。综上所述，该工作将仿生设计理念与电解液调控有机的结合起来，为未来构筑高性能水系锌离子电池提供新的研究思路。

原文详情：Gou, Q., Luo, H., Zhang, Q., Deng, J., Zhao, R., Odunmbaku, O., Wang, L., Li, L., Zheng, Y., Li, J., Chao, D., Li, M., Electrolyte Regulation of Bio-Inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries. Small 2023, 2207502.

https://doi.org/10.1002/smll.202207502

本文由景行供稿