摘要：水系锌离子电池（ZIBs）凭借锌金属电极高理论容量、低电化学电位、资源丰富及低成本等优势，成为大规模储能领域极具竞争力的技术方案。然而，其商业化进程受限于界面问题：锌枝晶不可控生长、化学腐蚀、析氢反应及低锌利用率，导致库仑效率和循环寿命难以达到工业基准。其核心
水系锌离子电池（ZIBs）凭借锌金属电极高理论容量、低电化学电位、资源丰富及低成本等优势，成为大规模储能领域极具竞争力的技术方案。然而，其商业化进程受限于界面问题：锌枝晶不可控生长、化学腐蚀、析氢反应及低锌利用率，导致库仑效率和循环寿命难以达到工业基准。其核心矛盾源于锌阳极界面富水的双电层（EDL）和水分解主导的固体电解质界面（SEI）共同引发的不可逆反应。富水的EDL结构促使水分子与锌表面直接接触，加剧副反应动力学；而传统电解质体系因缺乏有效钝化组分，难以构建稳定的SEI。为弥补不可逆锌损耗，常需大幅增加锌箔用量，直接削弱系统能量密度与经济性。近期研究揭示EDL特性可通过调控界面水活性和Zn²⁺脱溶剂化过程影响SEI形成，但如何通过EDL工程构建长效水屏蔽层及稳定SEI仍是关键科学难题。
针对上述挑战，南昌大学彭钟有博士/谈利承教授/陈义旺教授团队创新性引入微量非离子两亲性聚山梨酯（PS）电解液添加剂，通过协同调控EDL与SEI提升ZIBs界面稳定性。研究表明，PS分子凭借化学吸附作用形成定向排布界面层：其疏水长链向外构筑物理屏障，有效破坏界面氢键网络并抑制水分子活性；亲锌基团则通过配位锚定Zn²⁺迁移通道，维持高效离子传输。该添加剂同时诱导构建有机-无机杂化SEI，促进界面电场均质化分布与锌均匀成核，实现锌（002）晶面择优取向沉积及副反应抑制。基于含PS电解液的Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下实现8060小时（~336天）超长循环，并在40 mA cm⁻²/40 mAh cm⁻²高工况下稳定运行450小时，性能显著优于传统体系。该工作不仅为锌电极界面化学调控提供新思路，更深化了对水系ZIBs中EDL与SEI协同作用机制的理解。
该研究成果以“Water-shielding electric double layer and stable interphase engineering for durable aqueous zinc-ion batteries”为题发表于国际权威期刊《Nature Communications》，论文第一作者为南昌大学彭钟有助理研究员，通讯作者为南昌大学/江西师范大学陈义旺教授与南昌大学谈利承教授。
【图文导读】
图1 电解液的表征与模拟。a 1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液对电解液与锌电极界面化学影响的示意图。b ⁶⁷Zn核磁共振谱，c ¹⁷O核磁共振谱，d 含不同PS浓度电解液的FTIR光谱，以及（e）含不同PS浓度电解液的拉曼光谱。f 含1 wt% PS的电解液MD模拟。g 从MD模拟获取的Zn²⁺-O的径向分布函数和配位数。h 经归一化处理的Zn K XANES光谱。i EXAFS曲线，以及（j）1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液的Zn K边XANES的小波变换结果。k 1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液Zeta电位。l 1 M Zn(OTf)2电解液在裸锌箔上的接触角（I）、预浸泡在1 M Zn(OTf)2电解液的锌箔上的接触角（III），含1 wt% PS的电解液在裸锌箔上的接触角（II）、预浸泡在含1 wt% PS的电解液锌箔上的接触角（IV）。
图2 PS对Zn2+沉积/剥离行为的影响研究。a 铜电极以及（b）锌电极在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的SEM图像。在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的锌电极的（c）AFM图以及（d）KPFM图。e锌电极在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液循环50次的2D GIWAXS，以及（f）（002）极图。锌电极在（g）1 M Zn(OTf)2电解液以及（h）含1 wt% PS的电解液循环50次的SECM图像。i 在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液中EQCM结果。
图3 含或不含有PS电解液中锌电极的稳定性及作用机理研究。a H₂O分子和PS分子在不同锌晶面上的吸附能比较。b H₂O分子和PS分子在锌（101）晶面的电荷密度差。c 在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液中锌电极双电层电容。d 阿伦尼乌斯曲线以及活化能的比较。e 锌电极的计时电流曲线。f Zn2+沉积/剥离过程的原位拉曼光谱。g, h Zn2+沉积/剥离过程的原位FTIR光谱，i Zn2+沉积过程的原位光学显微镜图像。Zn||Zn对称电池在（j）1 M Zn(OTf)2电解液以及（k）含1 wt% PS的电解液原位EIS。l 在5 mA/cm²电流密度下锌电极表面实时pH值变化。
图4 稳定的固体电解质界面的结构表征及形成机理研究。锌电极在含有1 wt% PS的电解液中循环50次后的a C 1s，b F 1s，c S 2p和d O 1s的XPS。e 1 M Zn(OTf)2电解液以及（f）含1 wt% PS的电解液中循环50次后锌电极的ToF-SIMS。g 在含有1 wt% PS的电解液中循环50次锌电极的HRTEM图像。h H2O分子和PS分子的LUMO及HOMO等值面。i 1 M Zn(OTf)2电解液和（j）含有1 wt% PS的电解液中，锌电极锌沉积过程模拟电场分布情况。
图5 高稳定及高利用率的锌金属电极。a Zn||Zn对称电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液沉积/剥离电化学性能。b, c Zn||Zn对称电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液沉积/剥离的倍率性能。d Zn||Cu电池在1 M Zn(OTf)2电解液以及含1 wt% PS的电解液的库仑效率，以及（e）不同循环次数下相应的电压曲线。f Zn||Zn对称电池在含有PS添加剂的不同锌盐电解液中循环电化学性能。g, h本研究与近期文献中电解液改性策略再循环可逆性方面对比分析。
图6 全电池的电化学性能。a 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO全电池的倍率性能。b 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO全电池恒流充放电循环性能。c 本研究制备的电池与已报道的水系锌离子电池的循环性能对比。d, e 在不同电解液条件Zn||V₂O₅/rGO全电池在5 A/g电流密度循环1000次锌电极的SEM图。f 在不同电解液条件全电池Zn²⁺扩散系数。g 不同电解液的条件下全电池自放电行为。h 不同电解液的条件下Zn||V₂O₅/rGO软包电池的循环性能。
【相关工作展示】
1)Zhongyou Peng, Ling Tang, Shulong Li, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Strong Replaces Weak: Hydrogen Bond-Anchored Electrolyte Enabling Ultra-Stable and Wide-Temperature Aqueous Zinc-Ion Capacitors. Angew. Chem. Int. Ed. 64 (4), e202418242 (1-11) (2025).Hot Paper.
2)Zhongyou Peng, Yuting Huang, Alexander G. Bannov, Shulong Li, Ling Tang, Licheng Tan*, Yiwang Chen*,Regulating oxygen vacancy and coordination environment of manganese dioxides for enhanced high-mass-loading energy storage.Energy Environ. Sci.17 (10), 3384-3395 (2024).ESI Highly Cited Paper.
3)Zhongyou Peng, Alexander G. Bannov,Shulong Li, Yuting Huang, Ling Tang, Licheng Tan*, Yiwang Chen*,Coupling Uniform Pore Size and Multi‑Chemisorption Sites: Hierarchically Ordered Porous Carbon for Ultra-fast and Large Zinc Ion Storage.Adv. Funct. Mater. 33 (40) 2303205 (1-11) (2023).
全文链接：
Zhongyou Peng, Shulong Li, Ling Tang, Jinyang Zheng, Licheng Tan*, Yiwang Chen*, Water-shielding electric double layer and stable interphase engineering for durable aqueous zinc-ion batteries,Nat Commun16, 4490 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59830-y
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来源：安楠说科学