隨著化石燃料的消耗和環(huán)境污染的加劇，人們已經(jīng)廣泛關注到太陽能、風能和水能等可再生清潔能源。由于這些新能源的間歇性和不穩(wěn)定性，迫切需要安全、可靠和經(jīng)濟的大規(guī)模能量存儲系統(tǒng)。作為主導的電池技術，鋰離子電池已經(jīng)達到全球市場的主導地位。然而，受到鋰、鈷飆升的價格和安全問題的影響，研究越來越集中于開發(fā)具有高安全性、低成本和理想的能量密度特點的電池系統(tǒng)。近年來，水系鋅離子電池（AZIBs）因其環(huán)境友好、安全性高和理論容量高等優(yōu)點被認為是最有前途的下一代高密度儲能系統(tǒng)之一。然而，鋅金屬陽極面臨枝晶生長、析氫反應、腐蝕等挑戰(zhàn)。而且鋅枝晶的持續(xù)生長會導致循環(huán)壽命較差，庫侖效率（CE）降低，死鋅的產(chǎn)生，甚至是引發(fā)短路。許多研究者付出努力致力于解決這些挑戰(zhàn)，如負極設計，電解質工程，和負極保護層。其中，電解質添加劑具有簡單、高效、成本低等優(yōu)點被認為是穩(wěn)定鋅陽極和界面并提高鋅金屬陽極循環(huán)穩(wěn)定性的直接有效途徑。

本工作開發(fā)了一種AZIBs的雙離子電解液添加劑質子化三甘肽（ggg）。ggg分子在弱酸性ZnSO ₄ 電解質中可以解離為兩性離子（陰離子和陽離子）。ggg 中NH ³⁺ 陽離子可以吸附在鋅陽極表面，調節(jié)Zn ²⁺ 的均勻沉積，抑制鋅枝晶的形成。自發(fā)解離的陰離子可以重構鋅離子的溶劑化配位結構，減少活性水的數(shù)量，削弱水的活性，減少副反應（圖1）。此外，ggg優(yōu)化了電解質的理化參數(shù)，增強了電極/電解質界面的穩(wěn)定性（圖2）。為進一步探究該溶劑化結構，采用分子動力學模擬了兩種電解液體系，計算結果進一步表明ggg分子可以進入到鋅離子的溶劑化結構中 （圖3）。因此，在具有最佳ggg添加劑的條件下，添加ggg的Zn//Zn對稱電池在電流密度為0.5 mA cm ^?2 能夠實現(xiàn)4500 h的無枝晶循環(huán)。即使電流密度達到5 mA cm ^?2 ，仍然提供400 h的長循環(huán)壽命（圖4）。

通過對循環(huán)后的Zn負極進行XRD、SEM、GIWAXS等測試，證實了含有ggg電解液的Zn負極在循環(huán)后表面無明顯的枝晶，且未觀察到副產(chǎn)物的物相出現(xiàn)，說明添加 ggg可以抑制鋅枝晶生長。此外，還證明了在ggg電解液中Zn ²⁺ 的擴散主要以3D擴散為主，且可以有效減緩析氫反應（圖5）。最后，ggg添加劑對Zn//MnO ₂ 電池的電化學性能進行了優(yōu)化，全電池在900次循環(huán)后的容量保持率為66.5%（圖6）。這項工作提供了一種直接的電解質添加劑策略來抑制副反應的形成和鋅枝晶的生長。成果以 “Zwitterionic organic multifunctional additive stabilizes electrodes for reversible aqueous Zn-ion batteries” 在線發(fā)表于 Advanced Functional Materials 期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202401889）。

同濟大學材料科學與工程學院高分子材料系博士研究生張靜為論文的第一作者 ， 同濟大學楊正龍教授和中科院上海高等研究院朱中杰博士為論文的通訊作者 。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃資助。

Jing Zhang a, Yuexin Liu a, Yangjie Wang b, Zhongjie Zhu b,*, Zhenglong Yang a, *, Zwitterionic organic multifunctional additive stabilizes electrodes for reversible aqueous Zn-ion batteries，Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202401889 .