水系锌离子电池因其众多优点而受到广泛关注，但仍面临锌负极枝晶生长、界面反应以及钒基正极结构崩塌等问题。
2024年11月2日，中国科学院福建物质结构研究所张易宁研究员团队在Chemical Engineering Journal期刊发表题为“Bifunctional electrolyte additive enabling long cycle life of vanadium-based cathode aqueous zinc ion batteries”的研究论文，团队成员Bai Shuai为论文第一作者，张易宁研究员为论文通讯作者。
该研究提出了一种双功能电解质添加剂蛋氨酸（MET），其在诱导锌负极均匀沉积和抑制钒基正极材料失效方面发挥了独特作用。MET通过影响电解液的溶剂化结构，抑制水活性，从而减少析氢反应（HER）等副反应。同时，它还能调控Zn2+的通量，提高锌负极侧的Zn2+沉积动力学，诱导Zn（1 0 1）晶面的优先生长，促进锌的有序沉积。特别是，MET能够在钒基正极表面原位生成包含ZnF2等成分的CEI，从而抑制钒基正极的失效，同时调节其表面电子态和Zn2+扩散行为。通过诱导增强的表面赝电容反应，MET有效降低了Zn2+插层过程中对钒基正极结构的破坏。与未添加添加剂的电解液相比，使用OTF-M50电解液的K2V8O21||Zn全电池在低电流密度（1 A/g）下循环800次后，容量保持率从10.2%显著提升至99.8%。因此，作为一种双功能添加剂，MET在提高钒基正极的稳定性和促进锌负极稳定沉积方面展现出广阔的应用前景。
DOI：10.1016/j.cej.2024.157281
该研究提出了一种双功能AZIBs添加剂蛋氨酸（MET），并通过一系列实验和理论计算揭示了MET在诱导锌负极均匀沉积和抑制钒基正极材料失效中的独特作用。MET能够参与电解液的溶剂化结构，显著抑制水活性，有效减少析氢反应（HER）等相关副反应；另一方面，MET可以有效调节Zn2+的通量，提高Zn2+在锌负极侧的沉积动力学，诱导Zn（1 0 1）晶面的优先生长，从而有效构建有序的锌沉积行为，抑制锌枝晶的无序生长。在稳定钒基正极方面，一方面，MET能够促进钒基正极表面原位生成包含ZnF2等产物的CEI膜，从而有效抑制钒基正极的溶解和结构坍塌。另一方面，MET参与调控钒基正极表面的电子态和Zn2+扩散行为，降低钒基正极的溶解能，并通过诱导和增强表面赝电容反应，减少Zn2+插层过程对钒基正极结构的破坏。与未添加添加剂的电解液相比，使用OTF-M50电解液的K2V8O21||Zn全电池在低电流密度（1 A/g）下循环800次后，容量保持率从10.2%显著提升至99.8%。特别是，MET在改善钒基正极材料的性能上具有通用性，能够显著提升在最基础的商业V2O5材料中的稳定性。因此，作为一种双功能添加剂，MET在提高钒基正极的稳定性和促进锌负极的稳定沉积方面展现出巨大的应用前景。
总之，该研究提出了一种双功能锌离子电池（AZIBs）电解质添加剂蛋氨酸（MET）。通过一系列实验和理论计算，揭示了MET在诱导锌负极均匀沉积和抑制钒基正极材料失效中的独特作用。MET能够参与电解液的溶剂化结构，大幅降低水活性，有效减少析氢反应（HER）等相关副反应；同时，MET能够有效调节Zn2+的通量，提升Zn2+在锌负极侧的沉积动力学，诱导Zn（1 0 1）晶面的优先生长，从而有效构建有序的锌沉积行为，抑制锌枝晶的无序生长。在稳定钒基正极方面，一方面，MET可以促进钒基正极表面原位生成包含ZnF2等产物的CEI膜，有效抑制钒基正极的溶解和结构坍塌。另一方面，MET能够调控钒基正极表面的电子态和Zn2+扩散行为，降低钒基正极的溶解能，并通过增强的表面赝电容反应，减少Zn2+插层过程中对钒基正极结构的损伤。相比于未添加MET的电解液，在低电流密度1 A/g下循环800次后，使用OTF-M50电解液的K2V8O21||Zn全电池的容量保持率从10.2%显著提升至99.8%。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
