三峡大学曹金/杨学林等：双功能解耦添加剂实现长效稳定水系锌碘电池

Dual-Site Functional Orchestration Enables Synergistic Anodic Modulation and Cathodic Mooring for Durable Zinc-Iodine Bat teries

Yan Jin, Jin Cao*, Can Huang, Xin An, Shenghan Wang, Xuelin Yang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 301

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02144-5

本文亮点

1. 双界面协同调控：利用单一分子(ELA)中的C=O与N-H双位点基团，同时解决了锌负极枝晶生长和正极多碘化物穿梭两大核心问题。

2. 晶面取向工程： 揭示了ELA通过C=O优先吸附并钝化高表面能晶面，引导Zn²⁺低能垒区域取向，实现平整致密的(002)晶面择优沉积。

3. 多碘化物锚定： ELA骨架中的N-H基团与多碘化物(如I₃⁻)形成强氢键相互作用，实现了对可溶性活性物质的化学束缚，显著提升了全电池的抗自放电能力。

4. 优异的电化学性能： ELA改性电解液赋予了对称电池在8 mA cm⁻²高电流密度条件下超5500小时的长循环寿命，同时实现了全电池高达79.4%的长循环容量保持率。

研究背景

水系锌碘电池凭借其高安全性、低成本、环境友好以及较高的理论能量密度(~220 Wh kg⁻¹)，在下一代大规模储能领域受到广泛关注。特别是碘正极快速的氧化还原反应动力学，赋予了该体系良好的功率特性。然而，该体系的实际应用进程长期受到两极界面复杂失效机制的制约：在负极侧，电解液中的游离水分子会引发持续的析氢反应与绝缘副产物的积累，同时局部电场的不均匀易导致不受控的锌枝晶生长，严重影响电池的长循环寿命；在正极侧，易溶性多碘化物(如I₃⁻、I₅⁻)不仅容易在电解液中发生穿梭效应，还可能跨越隔膜直接引发对金属锌负极的化学腐蚀，造成活性物质的不可逆流失与显著的电池自放电。传统的电解液或电极改性策略通常仅局限于单一电极的优化，难以有效应对正负极之间物质的相互串扰，且有时难以兼顾整体性能的平衡。因此，探索能够同步且精准调控双电极界面的综合优化策略，是推动锌碘电池走向实用化的关键环节。

内容简介

针对水系锌碘(Zn-I₂)电池中正、负极界面失效机制相互串扰、难以兼顾的瓶颈，三峡大学曹金/杨学林团队打破了传统局限于单一电极的“单点调控”框架，提出了一种创新的“双位点功能协同”策略。本研究仅通过在电解液中引入单一的双功能添加剂——2-咪唑烷酮(ELA)，便实现了对双电极界面的同步且独立的优化。该分子巧妙地利用其结构中功能解耦的双基团，实现了一剂双效：在锌负极侧，分子中的羰基(C=O)优先参与重构Zn²⁺溶剂化鞘层以排挤游离水，并在锌表面构筑动态吸附层，成功诱导锌离子沿热力学最稳定的(002)晶面进行致密平滑沉积，从根本上抑制了枝晶生长与析氢副反应；在碘正极侧，分子骨架中的亚氨基(N-H)则通过形成强氢键(N-H···I)，在分子层面上对易溶的多碘化物进行化学“锚定”，在不阻碍氧化还原动力学的前提下有效阻断了穿梭效应。该策略无需进行繁复的电极结构设计，仅凭借便捷的电解液添加剂工程，便同步改善了负极不稳定与正极活性物质流失两大难题，为复杂水系转化型电池的双极界面协同优化提供了一种简便实用且富有启发性的电解液调控思路。

图文导读

I 溶剂化结构重构：ELA调控Zn²⁺配位环境与微观网络

宏观测试与多模态光谱(NMR、FTIR、Raman)及理论计算(DFT、MD)综合表明，添加剂ELA分子中具有强给电子能力的羰基(C=O)能够自发且优先进入Zn²⁺的第一溶剂化层。这一竞争性配位过程有效排挤了原配位鞘中的水分子和硫酸根离子(SO₄²⁻)，大幅降低了接触离子对(CIPs)的比例，并将被取代的水分子重新锚定在氢键网络中以削弱自由水活性。分子层面的溶剂化重构不仅从热力学上降低了副反应的驱动力，还显著提升了电解液的宏观离子电导率与锌界面的润湿性，为实现均匀的锌沉积奠定了坚实的物理化学基础。

图1. 电解液的物理化学性质和溶剂化结构分析。

II 界面微观环境重塑：构筑动态吸附层与原位演变

电子结构分析与谱学表征(ATR-FTIR、XPS)证实，ELA分子凭借较高的极化率与给电子特性，优先在锌负极表面发生化学吸附，并构筑出一层富含C/N/O元素的分子吸附层。双电层电容(EDLC)的降低与原位X射线吸收光谱(In-situ XAS)的动态演变进一步揭示，该吸附层在内亥姆霍兹面充当了动态“分子盾牌”的角色，它不仅有效阻断了活性金属锌与体相游离水的直接接触(Zn-O配位信号减弱)，还均匀化了界面离子通量，从而降低了脱溶剂化能垒，引导锌离子跨越双电层实现均匀的金属沉积(Zn-Zn信号主导)。

图2. 界面表征与机理分析。

III 寄生副反应抑制：优化沉积动力学与界面稳定性

电化学测试与原位显微成像表明，ELA引发的溶剂化/界面双重调控显著提升了锌负极的防腐蚀能力并有效抑制了析氢副反应(HER)，避免了长循环中碱式硫酸锌副产物的积聚和电池产气鼓胀。在动力学层面，该策略有效降低了锌沉积的活化能，提升了锌离子迁移数，促使锌的成核机制由易生枝晶的二维受扩散控制模式，转变为均匀的三维瞬时成核模式。原位阻抗(EIS)及弛豫时间分布(DRT)分析进一步确证，得益于均匀的成核路径与副反应的抑制，ELA改性界面在长期运行中维持了极低的极化与高度稳定的电荷转移阻抗，避免了界面的持续钝化。

图3. 电化学动力学和界面稳定性分析。

IV 晶体学控制：引导(002)晶面外延生长

宏观X射线衍射(XRD)与微观高分辨透射电镜(HRTEM)共同揭示，ELA的引入从根本上改变了锌的结晶学取向，促使原本杂乱的多晶沉积转变为沿热力学最稳定(002)晶面高度有序的层状外延生长。密度泛函理论(DFT)计算阐明了这一过程的原子级机制：ELA分子倾向于选择性吸附并钝化具有高表面能的(100)和(101)晶面，同时显著降低了锌离子在(002)基面上的表面扩散能垒。这种钝化高能面与促进低能面扩散的协同效应，从结晶学源头抑制了枝晶生长的结构诱因，实现了致密、平滑的锌沉积形貌。

图4. 晶面取向调控的结构和计算分析。

V 锌负极电化学耐久性评估：超长循环稳定性验证

严苛条件下的电化学测试充分验证了ELA策略在实际应用中的卓越稳定性和极高的可靠性。非原位表征首先证实了ELA分子在长循环中不易发生结构分解；在此基础上，0.5 mA cm⁻²下组装的对称电池实现了超7000小时的稳定运行。更为突出的在于，即使在8 mA cm⁻²(1 mAh cm⁻²)的大电流密度下，对称电池依然维持了超过5500小时的破纪录寿命且极化电压极低。此外，Zn||Ti半电池在长循环中保持了高达99.12%的平均库仑效率，并在宽倍率范围内展现出优异的动力学响应，其累积沉积容量与循环寿命与近年来报道的相关添加剂体系相比，表现出显著的竞争优势。

图5. 半电池的电化学性能。

VI Zn-I₂全电池性能验证：多碘化物锚定与穿梭效应抑制

在碘正极侧，原位紫外-可见光谱(In-situ UV-vis)以及DFT计算证实，ELA分子骨架中的亚氨基(N-H)凭借强大的氢键作用(N-H···I)，能够对易溶的多碘化物(如I₃⁻)进行靶向化学“锚定”，在不阻碍氧化还原动力学的前提下，有效截留了活性物质并抑制了穿梭效应。这种正极分子级约束机制结合负极界面的高度稳定，赋予了Zn-I₂全电池优异的综合性能：在0.5 A g⁻¹下历经2500次循环后容量保持率高达79.4%，同时具备出色的高倍率快充放能力、极低的自放电率以及高度稳定的全周期界面阻抗，并成功稳定驱动了LED器件，充分展示了该双极协同调控策略的实用价值。

图6. 全电池的电化学性能和机理表征。

VII 总结

本研究提出了一种“双位点功能协同”的分子级策略，同步解决了水系锌碘电池双电极中长期存在且相互耦合的不稳定性难题。该策略通过引入单一电解液添加剂2-咪唑烷酮(ELA)来实现，利用其结构中化学性质互异的功能基团进行功能解耦，从而发挥各自独立的调控作用。在锌负极侧，羰基(C=O)主导了多尺度的级联稳定机制——从重构Zn²⁺溶剂化鞘层开始，最终实现高度可逆且无枝晶的平滑沉积。与此同时，在正极侧，亚氨基(N-H)通过氢键作用有效锚定多碘化物，在不损害氧化还原动力学的前提下，成功阻断了多碘化物的穿梭效应。这些功能位点的协同作用，赋予了该电池极为优异的电化学稳定性。在8 mA cm⁻²的高电流密度苛刻条件下，对称电池实现了超过5500小时的超长循环寿命；Zn-I₂全电池在历经2500次循环后，容量保持率仍高达79.4%。因此，本研究不仅为Zn-I₂电池体系提供了一种行之有效的解决方案，更凸显了分子级界面工程的策略价值。利用单一分子内互不干扰的功能基团来实现双电极协同稳定的设计理念，将为合理开发先进的水系储能系统提供极具参考价值的研究思路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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