范丽珍/周丹AFM: 双功能衣康酸：开启水系锌离子电池长寿命锌阳极的新时代

文章总结

研究背景：随着对绿色低碳能源的关注，AZIBs 因高安全性、低成本等优势受广泛研究，但锌阳极在水系电解液中存在热力学不稳定问题，会发生副反应和枝晶生长，缩短电池寿命。虽有多种策略尝试解决，但各有局限，如人工界面合成复杂、成本高，混合电解液存在传输动力学差和易燃风险，现有添加剂难以有效消除碱性副产物等。

研究内容

IA 添加剂的双重功能及机制：IA 是不饱和二元有机酸，含两个活性羧基，添加到

电解液中可实现双重功能。一方面，其强酸性能降低电解液 pH 值，中和副反应产生的

，消除锌阳极表面碱性副产物，稳定电解液 pH 值，抑制枝晶生长；另一方面，IA 与锌发生还原反应，在锌阳极表面原位形成界面保护层，隔离活性水分子，抑制副反应，促进

传输和锌均匀沉积。

可控酸性环境消除副产物：向

溶液中添加不同浓度 IA，发现 IA 溶解度和稳定性良好，浓度为

时，电解液 pH 值稳定在 1.44，此时

对称电池循环寿命最长。通过多种测试手段，如原位 pH 监测、SEM、XRD 和 Raman 分析等，证实 IA 营造的强酸性环境可抑制副反应，消除锌阳极表面副产物。

原位形成界面保护层防止锌阳极腐蚀：理论计算表明 IA 比水分子更易与锌阳极反应。实验观察到锌箔在

电解液中浸泡后形成均匀致密的钝化层，经 FTIR、Raman、XRD 和 XPS 等测试确定其为

，且该钝化层具有疏水性，能保护锌阳极。

增强对锌沉积行为的调控：Tafel、LSV、CA 等测试表明，IA 添加剂形成的界面保护层可降低锌阳极腐蚀速率，抑制析氢反应（HER），促进

均匀沉积。CV 曲线、EIS 曲线和原位光学显微镜观察进一步证实添加 IA 的电解液能实现更均匀的锌沉积，抑制枝晶生长。

提高锌阳极的可逆性：使用

电解液的

对称电池和

不对称电池展现出优异的循环稳定性、高库仑效率和高电压滞后，表明 IA 添加剂显著提高了锌阳极的可逆性。

促进全电池的电化学性能提升：以

为阴极组装的全电池测试显示，添加 IA 的电解液对

阴极氧化还原反应无明显影响，但能提升全电池的倍率性能、循环稳定性和抗自放电能力，两个串联的该全电池可点亮 LED 灯板，展示出良好的应用潜力。

研究结论：将强酸性 IA 作为功能性添加剂引入电解液，可实现具有可逆且无枝晶锌沉积的稳定锌阳极。其双重功能协同作用，使锌阳极具备超长循环寿命和高库仑效率，全电池也表现出高可逆容量和增强的循环稳定性，为下一代水系电池技术中稳定可逆锌阳极的实现提供新理解。

图文简介

电解液中衣康酸（IA）添加剂双重功能及相关机理的示意图

a) 自制原位 pH 监测仪的光学照片。b) 由原位 pH 监测仪检测到的 Zn||Zn 对称电池运行过程中所用电解液的 pH 值变化。c) 将锌箔分别浸入 2m 电解液和 2m +0.1m 衣康酸（IA）电解液中不同时间后的表面扫描电子显微镜（SEM）图像。d) 锌箔在不同电解液中浸泡 6 小时后表面的元素分布。e) 沉积在锌阳极上物质的 X 射线衍射（XRD）图谱。f) 沉积在锌阳极上物质的拉曼光谱。

a) 衣康酸（IA）和水（H₂O）的分子静电势图。b) 水和衣康酸的最高占据分子轨道（HOMO） - 最低未占据分子轨道（LUMO）能级。c) Zn²⁺ 与水 / H₂O 或衣康酸 / IA 之间的相互作用能。d、e) 傅里叶变换红外光谱（FTIR），f) 拉曼光谱，g) X 射线衍射图谱（XRD），以及 h) 浸泡在电解液中的锌箔表面钝化层的扫描电子显微镜（SEM）图像和元素分布。i) 使用不同电解液组装且在 5 mA cm⁻² 和 5 mAh cm⁻² 下运行一周的 Zn||Zn 对称电池中，锌阳极表面物质的 C1s 高分辨率 X 射线光电子能谱（XPS），以及 j) 相同条件下锌阳极表面物质的 O1s 高分辨率 X 射线光电子能谱。

a) 使用不同电解质的 Zn||NaVO 全电池在扫描速率为 1 毫伏 / 秒时的循环伏安（CV）曲线。b) Zn||NaVO 全电池在 0.5 至 5 安 / 克不同电流密度下的倍率曲线，以及 c) 充放电曲线。d、e) 使用不同电解质的 Zn||NaVO 全电池在 1 安 / 克和 2 安 / 克电流密度下的长期循环性能。f、g) Zn||NaVO 全电池静置 24 小时后的自放电曲线。h) 两个使用 2 摩尔 / 升硫酸锌（

） + 0.1 摩尔 / 升衣康酸（IA）电解质的 Zn||NaVO 全电池串联后，能够成功点亮一块 LED 灯板。

论文信息

通讯作者：Dan Zhou, Li-Zhen Fan