关注下方公众号
获取更多前沿期刊速递和精彩学术报告回放
第一作者：肖哲
通讯作者：钱正芳、王任衡
通讯单位：深圳大学
水性锌离子电池因其固有的安全性、成本效益和高容量引起了人们的极大兴趣。然而，电解质中通过氢键作用连接的水分子吸附在锌负极表面，并在电场作用下解离成H
+
和OH
-
。这导致在锌界面处形成局部碱性环境，引起锌枝晶生长、表面腐蚀和析氢反应等一系列问题。目前报道的有机添加剂可以调节Zn
2+
的溶剂化结构，抑制锌枝晶的形成。然而，有机溶剂会降低电解质的离子电导率，增加易燃性的风险。一些小剂量的离子/无机复合添加剂可以优先吸附在锌表面，防止电解液的腐蚀，但不能有效调节Zn
2+
的溶剂化结构。为了实现成本效益和可持续的绿色发展，确定廉价高效的添加剂来调节电解质中的氢键网络并稳定Zn（002）沉积是至关重要的。
我们提出了一种基于低成本多羟基有机添加剂麦芽糖醇优化水溶液电解质的氢键竞争策略。麦芽糖醇的加入破坏了水溶液电解质的氢键网络，降低了水分子的活性，取代了溶剂化结构[Zn(H
2
O)
6
]
2+
中的一个水分子。此外，与水分子相比，麦芽糖醇优先吸附在Zn（002）表面，这种稳定的Zn（002）晶面沉积抑制了枝晶生长和析氢反应。用0.4 M maltitol电解质组装的Zn||Zn对称电池在1 mA cm
−2
，1 mAh cm
−2
条件下表现出4500 h的超长循环时间。Zn||NH
4
V
4
O
10
全电池也表现出比非添加剂电池更好的循环性能。相关研究成果以
“Hydrogen Bond Competition Optimizing Aqueous Zn Ion Solvation and (002) Interfacial Deposition with Ultralong Stability”
为题发表于国际顶级期刊Advanced Functional Materials（IF=18.5）。深圳大学物理与光电工程学院博士生肖哲为论文第一作者，钱正芳特聘教授和王任衡长聘副教授为论文共同通讯作者。
1. 计算了ZnSO
4
、Zn(OTf)
2
、ZnCl
2
、Zn(OAc)
2
和Zn(NO
3
)
2
五种常用的锌盐与麦芽糖醇的结合能，并总结了这五种锌盐的理化性质，筛选出最为合适的ZnSO
4
锌盐。第一性原理计算得出麦芽糖醇在水溶液电解质中具有优化氢键网络结构的潜力。
图 1. 麦芽糖醇添加剂的理化性质。
2. 麦芽糖醇融入Zn2
+
的内溶剂化壳层，导致麦芽糖醇与H
2
O之间的氢键发生重组，从而减少了水分子间的氢键数量。
图 2. 电解质的溶剂化结构特征。
3. 麦芽糖醇添加剂优先吸附在锌负极表面，保护锌负极免受锌腐蚀和析氢反应的影响。在0.4 M maltitol电解质中，锌颗粒周围电场强度分布更加均匀，促进了锌离子的稳定沉积，抑制了锌枝晶的生成。
图 3. 锌负极界面形貌。
4. 麦芽糖醇在Zn（002）晶面上的吸附能为-2.179 eV，低于Zn（100）和Zn（101）晶面上的吸附能，表明麦芽糖醇优先吸附在Zn（002）晶面上。在10 mAh cm
-2
的高容量下，麦芽糖醇诱导的Zn（002）晶面暴露占主导地位。随着容量的增加，Zn（002）晶体表面逐渐变得更加突出，生长扩展成密集堆积的六边形颗粒沉积。
图 4. Zn（002）晶面沉积的稳定调控。
5. 优化后的0.4 M maltitol可使Zn||Zn对称电池在1 mA cm
-2
和1 mAh cm
-2
下循环4500小时，倍率性能稳定且具有良好的可逆性。此外，组装的锌离子全电池也表现出优异的稳定性，在2 A g
-1
下循环500次后，容量高达215.2 mAh g
-1
，具有实际的应用价值。
肖哲，深圳大学博士研究生，
研究方向为光电纳米材料与器件，包括锂离子电池负极改性和水系锌离子电池电解液优化研究
。目前已发表SCI论文12篇，其中以第一作者/共同一作发表5篇，包括Adv. Funct. Mater. (2篇)、ACS Appl. Energy Mater.等，申请发明专利1项。曾获得深圳大学物理与光电工程学院2023年“优博”计划资助，第一届中国材料大会优秀学术报告等荣誉。
本文通讯作者
王任衡，男，博士毕业于中南大学，随后在新加坡南洋理工大学陈晓东教授课题组从事博士后科研工作，入选广东省博士博士后100名创新人物、深圳市海外高层次孔雀人才、深圳市高层次人才等，兼任中国科协科技人才奖项评审专家、教育部学位中心学科评估专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、深圳市储能标准化技术委员会委员等，担任Chinese Chemical Letters编委、eScience等青年编委。先后主持国家/广东省/深圳市等14余项目，共发表SCI论文60余篇，IF>10有36篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.（2篇），Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Matter、ACS Nano（5篇）、Adv. Funct. Mater.（6篇）、Energy Storage Mater.（3篇）等知名期刊，授权发明专利11项，
主要研究方向为光电功能材料与器件、能量转换与存储
