东华大学武培怡/焦玉聪Angew: α-甲基调控两亲性聚离子液体助力锌碘电池

作为高安全性储能体系，水系锌碘电池（ Zn-I ₂ ）凭借锌负极的高理论容量及碘的资源优势成为储能领域的研究热点。其发展当前面临两大核心问题： 1 ）锌负极界面活性水诱发的副反应及枝晶生长； 2 ）可溶性多碘化物（ I ₃ ^- 、 I ₅ ^- 等）的穿梭效应引发正极活性物质流失及锌负极腐蚀。近年来，离子液体（ IL ）因其带电基团可以锚定多碘化物，且具有静电屏蔽效应以有效抑制副反应，受到广泛关注。然而， IL 的高粘度导致体系离子迁移速率下降，并且其在动态电化学界面易发生不可控分解，反而加速了锌负极的副反应及腐蚀。因此，迫切需要开发兼具多碘化物锚定、锌负极稳定化与高效离子传输的新策略，实现高性能锌碘电池。

基于此， 东华大学 武培怡 / 焦玉聪研究团队 利用带有疏水α - 甲基的甲基丙烯酰胺（ MAAm ）与咪唑离子液体共聚得到两亲性聚合物添加剂（ PVEMA ），提高锌负极的稳定性，抑制多碘化物穿梭效应，从而实现高性能锌碘电池 。基于 PVEMA 添加剂组装的 Zn/Zn 电池在 20 mA cm ^-2 的超高电流密度、 10 mA h cm ^-2 的面容量（ DOD 高达 77.7% ）下，可以稳定循环超过 400 h 。 Zn/Ti 电池在 8 mA cm ^-2 的高电流密度和 62.2% 的高 DOD 下仍可以稳定运行。软包电池可以稳定运行超过 250 次，容量依旧可达 220 mA h g ^-1 ，证明了 PVEMA 在储能领域良好的应用潜力。其成果以题为 “ α -Methyl Group Reinforced Amphiphilic Poly (ionic liquid) Additive for High-Performance Zinc-Iodine Batteries” 在国际知名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上发表。本文第一作者为东华大学 2021 级硕士生吴琛，共同作者为东华大学 2022 届博士研究生潘怡帆，通讯作者为焦玉聪研究员和武培怡教授，通讯单位为东华大学化学与化工学院。

聚合物电解质的相互作用和物理性质表征

PIL 不溶于电解液， MAAm 与 IL 的共聚产物可以溶于电解液，使其可以更好的调控电化学性能。同时， MAAm 的 α- 甲基 通过空间位阻效应削弱了酰胺基团与水分子间的 氢键作用 ，从而赋予聚合物一定的 疏水 特性。

图 1 聚合物电解质基团间物理化学相互作用和疏水性 SEI 层表征

通过 log P 值证实 PVEMA 因 α- 甲基的存在比 PVEAM 更 疏水 。动态光散射（ DLS ）显示 PVEMA 的流体动力学直径 小于 PVEAM ，表明其 更紧密的分子构象 。 ¹ H NMR 和 FTIR 表明 PVEMA 削弱 了水分子间的 氢键作用 ，优化了 Zn ²⁺ 的溶剂化结构。 DFT 计算显示 PVEMA 对 Zn ²⁺ 的吸附能更低，有利于降低 Zn ²⁺ 脱溶剂化能垒，且其优先吸附于 Zn(101) 晶面，促进锌致密沉积。接触角测试和 XPS 进一步验证 PVEMA 在锌表面形成 双层 SEI ，显著提升界面稳定性。

锌沉积及副反应抑制行为研究

通过原位显微镜、 SEM 、 XRD 及电化学测试揭示了 PVEMA 对锌沉积形貌和副反应的调控作用。 SEM 和 XRD 表明 PVEMA 引导锌优先沿 (101) 晶面生长，实现锌定向有序沉积，抑制副反应。原位 EIS 显示 PVEMA 的界面电阻（ R _ct ）稳定，表明 PVEMA 可以均匀吸附在锌表面。 pH