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锌离子电池（ZIBs）在未来的能源存储领域显示出了巨大的潜力，然而枝晶生长、析氢反应（HER）和局部沉积等缺点，严重阻碍了其实际应用的发展。基于此， 香港城市大学支春义教授（通讯作者）等人 采用了不同于复杂的结构设计和电解液萃取，引入了一种有效的百万分之一（ppm）级电解液添加剂—磷酸乙二醇酸（PPGA），以克服锌（Zn）负极在温和酸性水溶液中的固有问题。利用Zn表面吸附的PPGA及其与相邻水分子氢键的有益相互作用，在25 ℃左右的ZnSO ₄ 水溶液中实现了Zn的稳定对称沉积/电镀，分别在1 mA cm ^-2 、1 mAh cm ^-2 和10 mA cm ^-2 、1 mAh cm ^-2 下运行了362天和350天。

作为概念验证，一个Ah级Zn||Zn _0.25 V ₂ O ₅ ·nH ₂ O软包电池测试了PPGA的有效性，并在0.2 A g ^-1 和25 ℃左右持续250次循环而没有容量损失。Zn||Br ₂ 氧化还原液流电池在40 mA cm ^-2 和20 mAh cm ^-2 下的工作时间超过800小时，平均库仑效率为98%，这是由于抑制了枝晶生长和副作用。本工作为电解质添加剂工程的知识开辟了新的途径。

相关工作以《A parts-per-million scale electrolyte additive for durable aqueous zinc batteries》为题发表在2025年2月20日的《Nature Communications》上。

根据检索发现，支春义教授团队已发表21篇Nature Communications！

支春义 ，香港城市大学材料科学与工程系教授，香港青年科学院院士、英国皇家化学会会士、Clarivate高被引研究员（2019-2022，材料科学）和RGC高级研究员。主要研究方向为BCN纳米结构的性质研究。

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密度泛函理论（DFT）计算表明，由于氧原子的电负性比碳或氢更强，PPGA的外向氢原子部分带电。PPGA提供一个氢质子（-OH…OH ₂ ）与相邻水分子形成氢键的倾向很高，平均键能为-0.76 eV，而-O…H ₂ O氢键的平均键能降至-0.27 eV，接近于水分子间氢键的强度。质子核磁共振（ ¹ H NMR）测量显示，由于电子密度增加和去屏蔽质子数量减少，PPGA（5 ppm）的包含导致了前场化学位移，使得分子间水氢键网络被破坏。悬浮在ZnSO ₄ 电解液中的PPGA可以在240 ps时到达Zn电极，并在接下来的3760 ps时沿表面边缘移动，有助于整体能量的下降，获得更稳定的系统。值得注意的是，在ZnSO ₄ 电解液中加入1 ppm的PPGA可显著抑制其结晶，当添加量达到5 ppm时，其结晶完全消失。

图1. PPGA在ZnSO4电解液中的动力学

图2. PPGA在Zn表面的工作原理

随着PPGA的加入，PZS电解液中的电流下降，H ₂ 气泡消失，腐蚀电流大大降低，HER明显受到抑制，Zn沉积均匀。在50次扫描中，在1 mV s ^-1 的低且一致的沉积电流下，获得了Zn|PZS|Ti的高可逆循环伏安曲线。其中，Zn|PZS|Ti的充放电量和相关的成核势大部分保持局域化，由高度可逆的Zn沉积/剥离过程引起。

在加入PZS后，Zn||Zn对称电池分别在1 mA cm ^-2 、1 mAh cm ^-2 和10 mA cm ^-2 、1 mAh cm ^-2 下工作了362天和350天，而Zn|BZS|Zn电池在120 h内完成。此外，Zn|PZS|锌电池在5 mA cm ^-2 、2 mAh cm ^-2 下稳定工作2000 h，在10 mA cm ^-2 、10 mAh cm ^-2 下稳定工作500 h。Zn|PZS|Cu电池地在1 mA cm ^-2 、1 mAh cm ^-2 下循环1000次（2000 h），平均库仑效率（CE）高达99.2%。

图3. PPGA添加剂对Zn沉积的影响

图4. Zn电极的可逆性

作者组装了Zn|PZS|Zn _0.25 V ₂ O ₅ ·nH ₂ O全电池，在电流密度为0.2 A g ^-1 时其容量为371.7 mAh g ^-1 ，容量保留率为87.6%（电流复位后保留325.6 mAh g ^-1 ）。电池在BZS下的容量保持率下降到70.6%，在389.7 mAh g ^-1 中保持了275.5 mAh g ^-1 。额外的ppm级PPGA在1.2 A g ^-1 下的1000次循环，容量保留率为77.8%，优于300次循环后的不可逆容量损失和短路的对应物。此外，组装的Ah级的Zn|PZS|Zn _0.25 V ₂ O ₅ ·nH ₂ O软包电池，N(100µm, 58.8 mAh cm ^-2 )/P（16.5 mAh cm ^-2 ）比为3.5: 1，电解质/容量（E/C）比约为8 mL Ah ^-1 。恒流充放电（GCD）曲线显示，实际电池结构在200 mA g ^-1 下持续250次循环，平均CE为99.9%，容量损失可以忽略不计。

图5. Zn||Zn _0.25 V ₂ O ₅ 全电池

作者还组装了Zn||Br ₂ 液流电池，由集流器、碳毡电极（CF为2×2 cm ² ）、中间膜和外部负极液/正极液罐组成。PPGA添加剂（10 ppm）在40 mA cm ^-2 和20 mAh cm ^-2 下为Zn||CF液流电池提供了500次可逆循环（CE接近100%），而对照样品在50次循环后几乎不能正常工作。Zn||Br ₂ 液流电池稳定的长期循环性能凸显了PPGA添加剂的重要性，PPGA添加剂在40 mA cm ^-2 下循环约800次，平均CE为98%。没有PPGA在50次循环后，产生了衰落容量和CE。此外，即使在高达100 mA cm ^-2 的高电流密度下，PPGA也可以促进稳定的CE，并且容量衰减不明显。

图6. Zn||Br ₂ 氧化还原液流电池

A parts-per-million scale electrolyte additive for durable aqueous zinc batteries. Nat. Commun. , 2025 , https://doi.org/10.1038/s41467-025-56607-1.

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