Chem. Eur. J. ：通过调控锌负极l电解液界面电荷密度实现稳定的锌负极

水系锌离子电池具有高的理论比容量、高安全性和相对较低的成本，被认为是一种很有前途的大型储能设备。然而锌金属负极在循环过程中的形态演高度依赖于锌离子在界面处的扩散和分布。对于传统的商业锌金基底，难以实现均一平坦的表面状态，不可避免地导致表面电荷密度分布不均匀，进而诱导不均匀的锌离子扩散和沉积，这被认为是锌枝晶生长的主要驱动力之一。同时活性水分子在锌金属负极表面的无序吸附产生的不稳定界面会促进锌金属的腐蚀和析氢反应，并进一步恶化锌金属的表面状态，最终导致电池的失效。

图1. 基于ATU的水系锌离子电池示意图。

图2. (a) ATU结构示意图；(b) H₂O/ATU分子在Zn (002) 平面上吸附能的比较；(c) Zn²⁺在不同位置的结构优化示意图，红线代表“锌键”。

图3. 水系锌离子电池的循环性能：(a) Zn||Zn对称电池；(b) Zn||Cu半电池；(c) Zn||I₂全电池。

为了解决上述问题，调节锌负极l电解液界面电荷密度分布以诱导均匀的锌离子扩散将会是一种简单有效且可拓展的方法。作为概念验证，具有丰富孤对电子的脒基硫脲(ATU)被选作为电解液添加剂。ATU分子能稳定吸附在锌金属负极表面形成独特的负极l电解液界面，这种独特的界面不仅可以起到界面电荷密度调节的作用，同时可以阻止活性水分子和阴离子与锌金属的接触，从而进一步提高锌金属负极的稳定性。此外，其丰富的含氮基团能与锌离子形成独特的“锌键”，这有助于水合锌离子的快速迁移和去溶剂化过程。因此，经过不同的电化学测试表明，使用超低浓度的ATU添加剂(0.01 mg mL^-1)可有效阻止枝晶和副产物的不可控生成。基于ATU添加剂的Zn||Zn对称电池的循环寿命提升了四倍，Zn||Cu半电池的平均库伦效率提高到了99.52%。此外，与碘配对的Zn||I₂全电池在5000次循环后仍然能保持77.9%的容量。该工作提出了一种低成本且具有普适性的界面改性策略，为耐用锌金属负极的界面化学提供了基本的见解，有助于开发长期稳定的水系锌离子电池。

论文信息

Regulating the Interfacial Charge Density by Constructing a Novel Zn Anode-Electrolyte Interface for Highly Reversible Zn Anode

Shengkang Zhan, Yiming Guo, Dr. Kai Wu, Dr. Fanghua Ning, Prof. Xiaoyu Liu, Prof. Yuyu Liu, Prof. Qian Li, Prof. Jiujun Zhang, Prof. Shigang Lu, Prof. Jin Yi

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202303211