重慶大學李猛Small：生物親鋅性啟發的電解液添加劑促進高性能無枝晶鋅離子電池的構建

01【導讀】

水基鋅離子電池（AZIBs）因其優良的電化學性能和高安全性而在大規模儲能器件領域展現出誘人的潛力。與此同時，水性電解質的大規模應用也帶來了各種挑戰，如不受控制的枝晶生長和副反應，降低了鋅負極的循環穩定性。

由于操作簡單，生產成本低等優點，近年來引入電解質添加劑被認為是穩定鋅負極的有效方法。目前，常見的AZIBs電解質添加劑可分為四種類型，包括離子、有機、無機和金屬添加劑。其中，有機添加劑因其在水介質中的高溶解度和獨特的調節機制而受到廣泛關注。通常，大多數的有機電解質添加劑對金屬Zn或Zn²⁺離子具有固有的親和力，可以取代水合Zn²⁺的溶劑化鞘，或者優先吸附到Zn負極上，從而抑制鋅枝晶的形成和界面副反應。盡管取得了一系列進展，但是大多數有機電解質添加劑仍然面臨著許多缺點，如毒性高、經濟效益低和功能單一。因此，開發具有優異親鋅性的更易操作、更環保的有機添加劑具有重要意義。

02【成果掠影】

近日，重慶大學李猛副教授等人受到真核生物細胞內鋅指蛋白中Zn²⁺和氨基酸鏈之間優異親和力的啟發，并綜合考慮經濟因素，將甘氨酸（Gly）添加劑加入到水性電解質中以穩定鋅負極。結合實驗表征和理論計算可知，Gly添加劑的引入不僅可以通過部分取代配位H₂O來重組水合Zn²⁺的溶劑化鞘，而且可以優先吸附到Zn負極上，從而顯著抑制枝晶生長和界面副反應。因此，鋅負極可以實現超過2000小時的長壽命和在良好的鍍鋅/剝鋅可逆性(98.8%)。此外，在含 Gly添加劑的電解質中，組裝的Zn||α-MnO₂全電池也表現出顯著的容量保持率(在2 A·g^-1下循環1000次后為82.3%)，展示出良好的應用前景。綜上所述，這種創新的生物靈感設計理念將為水性電解質的發展注入新的活力。

相關研究文章以“Electrolyte Regulation of Bio-Inspired Zincophilic Additive toward High-Performance Dendrite-Free Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在Small上。

03【核心創新點】

本文中，作者受到生物細胞內鋅指蛋白中鋅離子與氨基酸存在優異親和力的啟發，創新性地將Gly作為水性電解質添加劑，助力高性能無枝晶水系鋅離子電池的構建。

04【數據概覽】

圖1、Gly添加劑的生物啟發設計理念和相關工作機制的示意圖。? 2023 The Authors

圖2、a)含/不含甘氨酸的硫酸鋅電解液與鋅片之間的電解液接觸角。b)有/無Gly添加劑的Na₂SO₄溶液中鋅箔的微分電容曲線。插圖:甘氨酸添加劑優先吸附在鋅負極上的示意圖。c)H₂O分子、甘氨酸分子和陰離子的LUMO和HOMO能級。具有d) Gly分子和e)對應陰離子在Zn基底沿Z軸和相應等值面的電荷密度差值。f)H₂O、鋅、甘氨酸分子和陰離子在鋅基底(002)面上的吸附能。插圖:相關吸附模型。? 2023 The Authors

圖3、a)在150 mV下，在有/沒有甘氨酸添加劑的ZnSO₄電解液中的鋅片的CA曲線。插圖:在各種電解液中鋅金屬表面上Zn²⁺擴散行為的示意圖。b)在10mV s^?1下，各種電解質中Ti箔上Zn²⁺成核的CV曲線。c)E_a值由奈奎斯特圖獲得，使用ZnSO₄電解質中的Zn||Zn對稱電池，有/無Gly添加劑。用COMSOL模擬軟件模擬了Zn²⁺在d) ZnSO₄和e) ZnSO₄ + Gly電解液中的電鍍行為。f)無/有Gly添加劑的ZnSO₄電解質中Zn²⁺成核/生長機制的示意圖。? 2023 The Authors

05【成果啟示】

本工作受到生物細胞內鋅指蛋白中Zn²⁺與氨基酸鏈之間存在較強親和力的啟發，并綜合考慮經濟成本與環保因素，將一種低成本、環境友好的多功能Gly添加劑被加入到硫酸鋅電解質中以穩定鋅負極。結合理論計算和實驗表征手段，Gly加劑不僅可以通過部分取代配位的H₂O分子來重塑水合Zn²⁺的溶劑化結構，而且可以優先吸附到Zn金屬上以避免不良的“尖端效應”，從而抑制副反應和枝晶。綜上所述，該工作將仿生設計理念與電解液調控有機的結合起來，為未來構筑高性能水系鋅離子電池提供新的研究思路。

原文詳情：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