水系二次锌电池具有高安全性、低成本、环境友好等优点，在大规模储能领域备受关注。然而，枝晶生长和副反应问题严重影响锌负极的可逆性和循环稳定性，阻碍了其进一步发展和实际应用。添加剂策略因其成本低，易制备等优势，受到了广泛研究。然而对于添加剂的添加量和安全性仍需要仔细考虑。此外，添加剂在近界面区域对于电结晶的作用机制仍需要进一步研究。近日，东北大学孙筱琪教授&刘晓霞教授团队提出了一种高安全性的微量胶类添加剂策略，有效的改善了锌电池的可逆性和循环稳定性。其成果以题为“Ordered interface regulation at Zn electrodes induced by trace gum
additives for high-performance aqueous batteries”在能源顶级期刊Energy & Environmental Science上发表，博士生王括，展鸿途，本科生苏文龙(直博至西安交通大学)为文章共同第一作者。本研究使用具有丰富官能团的大分子，即0.1wt%的刺槐豆胶(LBG)作为电解质添加剂，以解决枝晶和腐蚀问题。理论计算和实验分析表明，LBG分子上的多个排列的氧位点允许与锌表面进行有序的相互作用。同时，其余基团进入Zn2+溶剂化壳，优化了界面处的氢键网络。这些活性位点捕获并均匀化了朝向电极的Zn2+通量，并改变了以下去溶剂化路径。由此更容易去除溶剂化水和更强的氢键抑制了副反应，最终LBG的受控去除产生了均匀的沉积物。因此，在1600小时内实现了稳定的镀锌/剥离。此外，该机制可以扩展到一系列浓度低于0.1wt%的大分子胶添加剂，为锌电池提供了具有成本效益的水性电解质。我们的工作表明了一种有序的界面调节策略，可以实现高性能水电池锌电极的长循环稳定性。
图1. 锌电极的溶剂化结构和界面的图示a)在常规水性电解质中，b) 用小分子添加剂和c) 含有丰富排列官能团的大分子添加剂。图2. a) LBG大分子的一个重复单元的ESP。b) 水和LBG单元的LUMO和HOMO能级。c) LBG单元吸附在Zn 002表面后的电子密度统计切片二维等值线图。d) LBG单元和水在Zn 002表面的吸附能。e) 线性拟合用于计算锌电极在基线ZnSO4和0.1-LBG电解质中的EDLC。f) 浸泡在水中和添加0.1wt%
LBG后的Zn的XRD图案和g) SEM图像。h-i) LBG-Zn和LBG粉末的FT-IR和C 1s XPS谱图。图3. a) LBG的分子结构。b) Zn(H2O)62+和三种Zn(H2O)5LBG2+溶剂化结构的相对能量及其LUMO能级，以及c) 水或LBG的Zn和O位点的原子电荷。d) 每个去溶剂化步骤的能垒以及Zn(H2O)62+和Zn(H2O)5LBG2+ 溶剂化的相应去溶剂化构型C。e) LBG-H2O和H2O-H2O的氢键构型和能量。f) 不含和含有0.1 wt% LBG的1 m ZnSO4的1H NMR 光谱。g)Zn(H2O)x2+ 和Zn(H2O)5-xLBG2+溶剂化C的去溶剂化结构的LUMO能级。图4. a) 交换电流密度，b) CA耦合c) EIS分析，以及d) 基线1 m ZnSO4和0.1-LBG电解质中Zn电极的塔菲尔图。e) 极化曲线和f) Zn电极在1 m
Na2SO4中的塔菲尔斜率，不含和含0.1 wt% LBG。g) 在烧杯电池中，锌电极在ZnSO4和0.1-LBG电解质中循环50次后的光学图像。图5. a)在基线ZnSO4和0.1-LBG电解质中，以10mA cm-2的电流在Zn上沉积的不同阶段的原位俯视光学显微镜图像。b, c) Zn在Cu上的沉积物的SEM、d, e) LFM和f-h) AFM分析。i) ZnSO4和j) 0.1-LBG中4 mA cm-2和2 mA h cm-2下电镀和剥离状态的Zn电极的XRD和SEM，以及k) Zn电极的I002/I100峰强度比。图6. 在基线ZnSO4和0.1-LBG电解质中，锌对称电池在a) 1 mA cm-2/1
mA h cm-2和b) 2 mA cm-2/2 mA h cm-2下的循环性能。c) 将0.1-LBG的自行车性能与之前出版物中报道的性能进行比较。d) 镀锌/剥离的库仑效率。e) MnO2阴极在2 A g−1下的长期循环。图7. a) 代表性胶大分子的分子结构，b) 含有相应胶作为电解质添加剂的锌对称电池的循环性能，以及c) 电解质中添加剂浓度和成本的比较。综上所述，我们提出了一种0.1 wt% LBG的微量电解质添加剂，以提高水电池中锌电极的循环稳定性。这种大分子含有丰富的官能团，可以与锌表面进行有序的相互作用。同时，其余基团能够与Zn2+配位，并在界面处与溶剂化水形成更强的氢键。它不仅使Zn2+通量均匀化，而且调节的去溶剂化过程还控制了沉积动力学并抑制了副反应。因此，获得了致密的沉积形态。在1 m ZnSO4电解质中添加0.1 wt%的LBG，Zn电极在1 mA cm−2下实现了超过1600小时的稳定电镀/剥离。重要的是，该策略对其他胶质大分子具有极好的普遍适用性，这揭示了一系列具有成本效益的电解质，其中含有微量添加剂，可以延长锌电极的稳定性。总的来说，我们的工作为水体系中锌电极的界面提供了一种通用的优化策略。这将为高性能水性锌电池提出有效的方法。Kuo Wang+,
Hongtu Zhan+, Wenlong Su+, Xiao-Xia Liu, Xiaoqi Sun*. Ordered
interface regulation at Zn electrodes induced by trace gum additives for
high-performance aqueous batteries. Energy Environ. Sci. 2025, DOI:
10.1039/D4EE04100C
https://doi.org/10.1039/D4EE04100C
孙筱琪，东北大学教授，博士生导师。入选国家青年高层次人才类项目、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才等。2012年获厦门大学和加拿大滑铁卢大学学士学位，2017年5月获加拿大滑铁卢大学博士学位(导师：Linda F. Nazar教授)，2017年5-12月在加拿大滑铁卢大学从事博士后研究工作(合作教授：Linda F. Nazar教授)，2017年12月引进东北大学。主要从事电极材料设计合成、电化学储能应用及储能机理研究，主持包括2项国家自然科学基金面上项目在内的多项科研课题，成果以通讯作者身份发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等刊，获辽宁省自然科学一等奖、辽宁省优秀研究生导师团队。
王括，东北大学博士在读。从事电解液设计和锌界面研究，目前以第一作者身份在Energy Environ. Sci.、 ACS Energy Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater. 等刊发表中科院一区论文9篇。
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