Nano-Micro LettersBixian Chen, Xiaomin Cheng, Xiang Li, Qinghua Guan, Hao Li, Yongzheng Zhang, Shuang Cheng, Huihua Li, Yunjian Liu*, Jing Zhang, Hongzhen Lin*, Jian Wang*
Nano-Micro Letters (2027)19: 24
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02306-5
1. 高偶极矩L-肌肽(L-CN)优先参与Zn²⁺配位，形成竞争性Zn²⁺(L-CN)ᵧ(H₂O)ₓ配位构型，解耦Zn²⁺–H₂O间的离子–偶极相互作用，降低Zn²⁺去溶剂化能垒并提升离子传输动力学。
2. L-CN优先吸附于Zn表面，重构富Zn²⁺通量的电极内亥姆霍兹层平面(IHP)，同时抑制析氢和腐蚀副反应，实现均匀锌沉积。
3. Zn//Zn对称电池展现出7000 h的超长寿命，在85.4%的高放电深度下仍可稳定工作200 h；实用化Zn//V₂O₅₋ₓ全电池循环500次后仍具有289 mAh g⁻¹的高容量，展现出优异的应用前景。
水系锌金属电池(AZMBs)凭借高安全性、低成本和高体积能量密度等优势，已成为极具应用前景的下一代储能体系。然而，其商业化进程受限于库仑效率(CE)低、锌利用率不足及枝晶生长等问题。这些问题本质上源于电解液及界面处Zn²⁺与H₂O之间强烈的离子–偶极相互作用，导致去溶剂化缓慢且传输动力学受阻。此外，电极表面的电子传输较快，而Zn²⁺传输较慢；二者不匹配会扰乱双电层(EDL)内的电场分布，诱发不均匀锌沉积。电解液添加剂工程通常通过竞争配位构建贫水溶剂化环境，但仍可能面临离子电导率降低和传输动力学受限的问题。通过界面化学调控，以竞争配位解耦离子–偶极相互作用，降低[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化能垒并提升Zn²⁺传输动力学，是实现均匀、无枝晶锌沉积的关键。
针对这一问题，德国卡尔斯鲁厄理工学院王健与中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究团队提出了一种从电解液到电极界面的化学调控策略，选用具有高永久偶极矩和多个N/O配位位点的天然二肽L-肌肽(L-CN)作为电解液添加剂。一方面，L-CN通过竞争配位优先进入Zn²⁺–H₂O溶剂化壳层，形成竞争性Zn²⁺(L-CN)ᵧ(H₂O)ₓ配位结构，重构溶剂化结构与氢键网络，加速Zn²⁺去溶剂化过程；另一方面，L-CN倾向于吸附在Zn(002)晶面，重构具有丰富Zn²⁺通量的内亥姆霍兹平面(IHP)，抑制析氢反应(HER)并促进均匀、无枝晶的锌沉积。
I 竞争配位与界面重构
图1. 锌沉积行为的示意图：(a) 基础电解液；(b) L-CN改性电解液。
II 溶剂化结构调控
图2. (a) L-CN的静电势分布图；(b) H₂O与L-CN的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道能级；(c) H₂O与L-CN的永久偶极矩；(d) Zn²⁺与L-CN不同作用位点的结合能；(e) L-CN通过离子–偶极相互作用加速[Zn(H₂O)₆]²⁺解离的示意图；(f) BE-LCN中不同作用位点的径向分布函数；(g) BE-LCN三维结构快照。
图3. (a) 不同电解液的核磁共振谱图；(b) 不同L-CN浓度电解液的拉曼位移谱；(c) H₂O、垂直取向L-CN与L-CN在Zn(002)晶面上的吸附能密度泛函理论计算；(d) 双电层电容计算；(e) 交流伏安测试曲线；(f) 沉积60 min后的弛豫时间汇总；(g) 基础电解液与(h) BE-LCN电解液中锌电极表面亥姆霍兹层结构示意图。
图4. (a) LSV曲线；(b) Tafel测试；(c) CA测试；(d) BE中的S 2p深度XPS光谱；(e) BE-LCN中的S 2p深度XPS光谱；(f) BE-LCN中的N 1s深度XPS光谱；(g) BE和(h) BE-LCN的TOF-SIMS结果；(i) 锌沉积的原位光学显微观察。
图5. (a) Zn//Cu电池的库仑效率；(b) 不同测试条件下Zn//Cu电池平均库仑效率和循环性能总结；(c) 对称电池的长循环性能；(d) 对称电池在不同电流密度下的过电位；(e) 对称电池在85.4%放电深度下的长循环性能；(f) 本工作与不同电解液添加剂的性能比较。
使用20 μm锌箔，在N/P比为3.98的严苛条件下，采用BE-LCN电解液的Zn//V₂O₅₋ₓ全电池在1 A g⁻¹条件下循环500次后仍保持289 mAh g⁻¹的高容量；组装的Zn//PANI电池经2000次循环后容量保持率达84.3%。大尺寸软包电池在200次循环后容量保持率接近100%，并成功驱动智能设备，展示了其实际应用潜力。
图6. (a) Zn//V₂O₅₋ₓ全电池的倍率性能；(b) 全电池的容量–电压曲线；(c) 全电池的自放电曲线；(d) 全电池(20 μm Zn，N/P = 3.98)的长循环性能；(e) Zn//PANI全电池的长循环性能；(f) 软包电池的循环性能；(g) 为智能设备供电的照片。
该工作提出了通过调控离子–偶极相互作用重塑亥姆霍兹平面的新策略：引入具有高永久偶极矩的L-CN作为电解液添加剂，加快[Zn(H₂O)₆]²⁺去溶剂化动力学以及锌离子/锌原子扩散动力学，实现无枝晶、长寿命的锌沉积。理论模拟与光谱表征共同证实，L-CN可优先与Zn²⁺相互作用，解耦Zn²⁺–H₂O离子–偶极相互作用并降低去溶剂化能垒；此外，L-CN在锌表面的优先吸附进一步重构了富Zn²⁺通量的亥姆霍兹层。因此，采用L-CN改性电解液的Zn//Zn对称电池、Zn//Cu半电池、低N/P比全电池及大尺寸软包电池均展现出优异的循环寿命和稳定性，证明该策略为通过重构亥姆霍兹层实现高性能AZMBs提供了新路径。
王健
本文通讯作者
德国卡尔斯鲁厄理工学院 洪堡学者
研究方向包括二次电池界面载流子调控、固态电池界面重构与输运及原位表征。
▍主要研究成果
博士、洪堡学者、课题组长。2019年获博士学位，随后受洪堡基金等资助，在德国卡尔斯鲁厄理工学院亥姆霍兹电化学储能研究所(HIU)工作。以第一作者或通讯作者在Sci. Adv.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.等高水平期刊发表多篇论文，H指数51，获授权发明专利14项。研究成果曾被美国《Chemical & Engineering News》(C&EN)、《光明日报》、人民日报融媒体中心等报道。主持国际级、国家级及省部级项目共7项。担任Energy Environ. Mater.期刊副编辑、Sci. Bull.期刊副编辑、J. Energy Chem.期刊客座编辑，以及InfoMat、Rare Metals、Carbon Energy等期刊青年编委。应邀担任Blue Planet Prize(蓝色星球奖)、VinFuture Prize国际专家组提名人，并担任Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Joule、Angew. Chem.等期刊独立仲裁人或审稿人。多次受邀在国际会议上报告研究工作。
▍Email：jian.wang@kit.edu
蔺洪振
本文通讯作者
中科院苏州纳米所 研究员
研究方向包括原位界面和频振动光谱技术的开发与应用、高能量二次电池电极的设计与制备，以及石墨烯材料的相关应用。
▍主要研究成果
研究员，现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。长期发展原位和频振动光谱技术，搭建相关仪器设备并拓展其原位(工况)表征功能，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano和Nanoscale等国际重要期刊发表学术论文近110篇。
▍Email：hzlin2010@sinano.ac.cn
撰稿：原文作者
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