浙江大学姜银珠教授团队: 跨尺度理论计算揭秘！重构双电层打造超稳锌负极

研究背景

水系可充电锌电池(ARZBs)凭借其低成本、高安全性和环境友好性，成为大规模储能的有力竞争者。然而，锌金属负极在充放电过程中面临着严峻的挑战：不均匀的锌沉积导致的枝晶生长，以及在电极-电解液界面发生的析氢反应(HER)和腐蚀等副反应。这些问题严重降低了电池的库伦效率和循环寿命。

电化学反应的核心发生区域在于电极与电解液界面处的双电层(EDL)。经典的Gouy-Chapman-Stern (GCS) 模型虽然提供了基础理解，但基于平均场近似的理论难以精确描述电池工况下分子尺度的界面动力学，特别是水分子和阴离子的特异性吸附行为。因此，迫切需要一种能够跨越尺度、精确解析界面分子/离子分布的理论工具，以指导高性能电解液的设计，从根本上解决锌负极的界面不稳定性问题。

Multiscale Theoretical Calculations Empower Robust Electric Double Layer Toward Highly Reversible Zinc Anode

Yufan Xia, Zhen Luo, Shuang Chen, Yang Xiang, Gao Weng, Hongge Pan, Ben Bin Xu, Mi Yan, Yinzhu Jiang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 90

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01915-w

本文亮点

1. 构建跨尺度理论框架：创新性地整合了量子化学(QC)、密度泛函理论(DFT)和经典分子动力学(CMD)，实现了从单分子特征到微观界面离子分布的全方位解析，弥补了传统实验和单一尺度模拟的不足。

2. 提出EDL重构新策略：基于理论指导，通过引入三氯蔗糖(TGS)电解液添加剂，成功构建了“贫水且排斥阴离子”的新型EDL结构，从源头上抑制了副反应。

内容简介

本研究建立了一套QC−DFT−CMD跨尺度理论计算框架，深入揭示了水系锌电池中双电层(EDL)的微观结构与寄生反应之间的关联。理论计算模拟结果表明，传统硫酸锌电解液在亥姆霍兹平面(HP)存在严重的水分子聚集和硫酸根阴离子吸附，这是导致析氢和副产物生成的根本原因。据此，浙江大学姜银珠等人利用三氯蔗糖(TGS)作为电解液添加剂，利用其空间位阻和特定吸附特性，成功重构了EDL，打造了一个“贫水且排斥阴离子”的界面环境。这种新型EDL结构不仅显著抑制了HER和副产物(ZSH)的生成，还通过平滑界面电势梯度促进了锌的致密均匀沉积。实验结果验证了该理论模型的准确性，展示了跨尺度计算在指导下一代高性能电池设计中的巨大潜力。

图文导读

I 跨尺度理论计算框架的建立与运行机制

为了突破传统单一尺度模拟的局限，如图1所示，作者构建了一套集量子化学(QC)、密度泛函理论(DFT)和经典分子动力学(CMD)于一体的先进跨尺度理论计算框架。该框架形成了一个闭环的研究范式：首先利用QC计算识别单分子的静电势和潜在吸附位点；随后通过DFT计算确定分子在金属表面的吸附构型、电荷转移及吸附能；最后，将这些微观信息代入CMD模拟中，在更大尺度上动态模拟电极-电解液界面的双电层(EDL)结构。这种从微观电子结构到离子分布的层层递进式研究，能够全方位解析界面化学与电化学性能之间的内在联系，为理性设计电解液提供了强有力的理论支撑。

图1. 先进多尺度理论计算框架及实验验证以揭示调控的EDL结构。

II 添加剂分子的吸附特性及溶剂化结构验证

研究团队首先探究了三氯蔗糖(TGS)分子的理化性质及其在锌表面的吸附行为。如图2a-c所示，径向分布函数(RDF)和拉曼光谱等测试表明，TGS的引入并未显著改变Zn²⁺在体相电解液中的溶剂化结构，说明其主要作用于界面区域。如图2d所示，QC计算得到的静电势(ESP)映射图清晰地显示，TGS分子富含羟基和氯基团，这些区域(蓝色圆圈标记)具有显著的亲核性，是潜在的活性吸附位点。进一步的DFT计算(如图2e-f所示)对比了TGS与水分子在Zn(002)表面的吸附能，结果显示TGS倾向于以平行构型吸附，且其吸附能(约−0.97 eV)远高于水分子，表明TGS能够优先占据锌表面。此外，如图2g-h所示的FTIR和XPS谱图在浸泡后的锌片表面检测到了TGS特征峰，从实验角度有力地证实了TGS在锌负极表面的自发强吸附行为。

图2. 溶剂化结构及吸附特性的探究。

III 双电层微观结构的重构：从“富水”到“贫水”

如图3a-d所示，在对照ZnSO₄(ZS)电解液中，CMD模拟快照及数密度分布曲线揭示了一个“富水且阴离子聚集”的EDL结构：大量水分子和硫酸根离子(SO₄²⁻)紧密吸附在内亥姆霍兹平面(IHP)，形成有序的水层。这种结构不仅导致界面电荷分布不均，还极易引发析氢和副产物生成。

相比之下，如图3e-h所示，引入TGS后，界面环境发生了根本性重构。由于TGS分子的强吸附和空间位阻效应，原来的水分子网络被打破，IHP处的水分子数密度急剧下降，形成了“贫水”环境；同时，带负电的硫酸根离子被有效地排斥出IHP和外亥姆霍兹平面(OHP)，实现了“排斥阴离子”的效果 。如图3i-l所示，氢键统计和相互作用分析进一步佐证了TGS对界面氢键网络的破坏作用，这种重构后的EDL结构有效地切断了副反应的发生路径，并平滑了界面电势分布。

图3. 电解液在锌金属表面的模拟结果。

IV 抗腐蚀性能与沉积动力学的实验验证

基于理论预测的EDL重构机制，本文通过一系列电化学测试验证了其对锌负极的保护作用。如图4a-b所示，XRD图谱和Tafel曲线表明，在ZS电解液中锌表面生成了大量碱式硫酸锌(ZSH)副产物且腐蚀电流较高；而在ZS/TGS体系中，副产物峰消失，腐蚀电流显著降低，证明了改性EDL优异的抗腐蚀能力。如图4g-h的SEM图像所示，在不同电流密度下，ZS电解液中的锌沉积呈现出疏松多孔的苔藓状形貌；相反，TGS改性后的锌沉积层则表面平整、致密且无枝晶，展现出均匀的沉积生长特征。动力学分析指出，TGS的吸附提高了析氢能垒，并展现出锌离子的三维扩散模式，这种动力学调控有助于抑制尖端的优先生长，促进均匀沉积。

图4. 锌负极的防腐蚀性能和沉积动力学评估。

V 半电池及全电池的长循环电化学性能

如图5a-b所示，在Zn||Cu半电池测试中，ZS/TGS电解液在1 mA cm⁻²和4 mA cm⁻²下分别实现了超过1100圈(平均CE 99.49%)和700圈(平均CE 99.59%)的超高可逆性。如图5c所示，Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²下实现了超过4700小时的超长稳定循环，且电压曲线保持平稳，未出现短路迹象。最终，如图6所示，组装的Zn||NaV₃O₈·1.5H₂O (NVO) 全电池同样表现出色：在5 A g⁻²的大电流密度下循环800圈后，容量保持率高达90.4%，而对照组仅为46.1%，充分证明了TGS调控的EDL结构在全电池体系中的兼容性和实用性。

图5. 锌负极的可逆性测试。

图6. Zn||NVO全电池电化学性能。

VI 总结

本研究通过建立从单分子量子特性到微观界面动力学的跨尺度理论计算框架，精确解析了水系锌电池中双电层的微观结构与演化机制。研究揭示了内亥姆霍兹平面(IHP)中水分子聚集和阴离子吸附是导致锌负极失效的关键诱因。基于此机制，利用TGS分子工程化构建了“贫水且排斥阴离子”的双电层结构，有效切断了析氢反应和枝晶生长的路径。该工作不仅显著提升了锌负极的循环稳定性，更重要的是，它展示了多尺度理论模拟在理解复杂电化学界面和理性设计高性能电解液方面的强大力量，为未来水系电池的研发提供了新的理论范式。

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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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