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  水系鋅離子電池因其高理論容量、本征安全性、低成本及資源豐富等特性，被視為極具發(fā)展前景的規(guī)�；瘍�(chǔ)能候選體系。然而，在電鍍/剝離過程中，Zn²⁺在電解液中的遷移速率與在電極表面沉積速率的失配將引發(fā)界面濃差極化，從而擾亂電雙層電場(chǎng)分布，不僅導(dǎo)致鋅枝晶的不可控生長(zhǎng)，還會(huì)加速界面副反應(yīng)。該現(xiàn)象在貧電解液（低E/C比）情況下尤為突出，嚴(yán)重制約鋅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性及實(shí)際應(yīng)用。兩性離子材料雖可通過雙電荷位點(diǎn)同步調(diào)控陰陽(yáng)離子分布以增強(qiáng)界面穩(wěn)定性并促進(jìn)離子輸運(yùn)，但其固有高偶極矩易引發(fā)環(huán)境敏感性，難以在寬溫域和低E/C比條件下維持保護(hù)層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，通過篩選特定偶極矩分子，構(gòu)建穩(wěn)定的富鋅離子人工界面保護(hù)層并深入研究其對(duì)鋅負(fù)極的保護(hù)和沉積調(diào)控的機(jī)制，對(duì)于緩解界面濃差極化，實(shí)現(xiàn)高性能貧電解液鋅離子電池具有重要意義。

  東華大學(xué)焦玉聰研究員前期圍繞電解質(zhì)及界面設(shè)計(jì)以優(yōu)化鋅離子電池儲(chǔ)能性能領(lǐng)域進(jìn)行了較深入研究并發(fā)表了一系列相關(guān)工作如Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423326; Adv. Mater. 2024, 36, 2314144; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307271; Energy. Environ. Sci. 2023, 16, 4561-4571; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140等。

  近期，東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院武培怡/焦玉聰團(tuán)隊(duì)提出基于最小偶極矩兩性離子氧化三甲胺（TMAO）的界面調(diào)控新策略。研究表明，TMAO通過弱偶極效應(yīng)與鋅離子配位形成TMAO-Zn絡(luò)合物，在鋅負(fù)極表面構(gòu)筑穩(wěn)定的富鋅離子保護(hù)層，有效緩解鋅負(fù)極/電解質(zhì)界面濃度極化。同時(shí)，理論計(jì)算表明，TMAO-Zn的O原子具有更高的親電進(jìn)攻指數(shù)，表明其優(yōu)先與內(nèi)亥姆霍茲層（IHL）中的活性自由水形成更穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而在貧電解液（低E/C比）的極端條件下有效抑制水誘導(dǎo)的副反應(yīng)。結(jié)果表明，在15 μL mA h-1的貧電解液條件下，具有TMAO-Zn保護(hù)層的對(duì)稱鋅電池可穩(wěn)定循環(huán)250 h以上。此外，組裝的Zn/I₂軟包電池在低E/C比（21.2 μL mA h^-1）下循環(huán)250次后容量保持率高達(dá)98.3%。本研究為推動(dòng)貧電解質(zhì)鋅電池的實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。

圖1 分子偶極矩及其結(jié)構(gòu)表征

  作者選擇了一系列具有相同官能團(tuán)，不同碳鏈長(zhǎng)度的兩性離子及不帶電分子，利用密度泛函理論（DFT）研究了不同偶極矩分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、氫鍵與活性自由水的相互作用、以及與Zn²⁺的相互作用之間的關(guān)系。結(jié)果表明，TMAO擁有最小的偶極矩，具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以與活性自由水形成更穩(wěn)定的氫鍵，更穩(wěn)定地捕獲鋅表面IHL中的活性游離水，從而抑制HER的產(chǎn)生。同時(shí)，在與鋅離子形成配位絡(luò)合物后，依舊保持與TMAO一致的優(yōu)異性能。

圖2 Zn²⁺沉積及耐Zn腐蝕性能表征

  作者通過原位光學(xué)顯微鏡和原位拉曼測(cè)試直觀驗(yàn)證了TMAO-Zn在鋅沉積過程中對(duì)副反應(yīng)的抑制行為。利用原位電化學(xué)氣相色譜（EC-GC）及靜態(tài)腐蝕，量化電化學(xué)沉積過程中析氫及腐蝕速率，證明TMAO-Zn可以有效減少副反應(yīng)，引導(dǎo)鋅離子均勻沉積。同時(shí)，采用電化學(xué)石英微天平（EQCM）結(jié)合循環(huán)伏安法（CV）進(jìn)一步表征鋅金屬上TMAO-Zn保護(hù)層的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍍鋅和剝離過程中不同電位下工作電極上的質(zhì)量變化，進(jìn)一步證明富鋅離子界面可以增強(qiáng)反應(yīng)的可逆性。

圖3 Zn/Zn²⁺可逆性表征

  基于TMAO-Zn組裝的Zn/Zn對(duì)稱電池在3 mA cm^-2，3 mA h cm^-2運(yùn)行壽命超過1200 h。在E/C比低至15 μL mA h^-1時(shí)，Zn/Zn對(duì)稱電池在1 mA cm^-2，1 mA h cm^-2運(yùn)行壽命超過250 h，Zn/Cu不對(duì)稱電池也可穩(wěn)定循環(huán)100次以上，進(jìn)一步證明TMAO-Zn可以有效緩解電極/電解質(zhì)界面處濃差極化，提高Zn/Zn²⁺循環(huán)可逆性，展現(xiàn)出高的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖4 全電池性能表征

  得益于TMAO-Zn良好的緩解濃差極化及抑制副反應(yīng)的能力，基于TMAO-Zn組裝的Zn/I₂，Zn/MnO₂全電池和Zn/AC電容器展現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)壽命。組裝的Zn/I₂電池即使在低E/C比及高溫下仍然表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，進(jìn)一步證實(shí)TMAO-Zn的實(shí)際應(yīng)用潛力。

  以上研究成果近期以“Weak Dipole Effect Customized Zinc Ion-Rich Protective Layer for Lean-Electrolyte Zinc Metal Batteries”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2025, 2501004)上。東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生潘怡帆為文章第一作者，焦玉聰研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。

  該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金及上海市自然科學(xué)基金的資助與支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202501004