為積極應對全球氣候變化並紮實推進我國“碳達峰、碳中和”戰略目標的實現，發展安全高效的大規模儲能技術已成為推動能源轉型的核心環節。水系鋅金屬電池（AZMBs）憑借其卓越的安全性、環境友好特性、低成本優勢以及鋅元素的高豐度，正加速成為支撐可再生能源大規模並網、實現電網級儲能目標的關鍵候選技術。然而，當前AZMBs在技術上仍存在鋅負極可逆性差和利用率低，以及正極載量有限、穩定性不佳等關鍵問題。這極大限製了其實際應用中的能量密度上限，嚴重阻礙了AZMBs真正走向規模化應用。近年來，研究團隊針對AZMBs面臨的核心挑戰，在提升AZMBs綜合性能方面開展了一系列原創性研究工作，相關成果已發表在Nat. Commun., 2021, 12(1):6606；Nano-Micro Lett., 2022, 14(1): 1-14；Energy Storage Mater., 2023, 62: 102920；Sci. China Mater., 2023, 66(12): 4595-4604；Chem. Eng. J., 2023, 474；Energy Storage Mater., 2024, 68: 103367；Energy Storage Mater., 2024, 73: 103800。

近日，團隊基於前期研究積累，在水系鋅金屬電池領域再次取得新進展，相關成果連續在能源材料領域學術期刊Energy & Environmental Science上發表。

1. 超分子主客體單元協同增強晶面選擇性吸附調控（002）織構鋅致密沉積

不可控的枝晶生長和副反應導致鋅負極可逆性較差，嚴重阻礙了AZMBs的性能發揮。研究表明，在沉積過程中控製晶面取向，特別是鋅（002）晶面的取向，是應對上述挑戰最為有效的策略之一。然而這在實際運用中面臨關鍵瓶頸：在鋅沉積/溶解的循環過程中，固有的晶格失配效應會引發電極結構畸變的動態累積，導致鋅負極的放電深度受限，嚴重製約其實際應用中的能量密度上限。突破這一基礎科學問題，對於推動水系鋅金屬電池技術向商業化應用邁進具有決定性意義。

由此，研究團隊提出基於協同增強晶面選擇性吸附的創新策略，成功實現了鋅（002）晶面擇優取向沉積的有效調控。研究表明，利用超分子化學中的主客體相互作用能夠協同增強對鋅晶面的選擇性和吸附能力，有利於在高電流密度/大面積容量工況下實現均勻的鋅（002）晶面沉積。同時，鋅表面有序錨定的超分子復合單元界面的空間位阻效應，不僅能構建貧水界面有效抑製副反應，還起到了離子緩沖帶的作用，緩和快速的反應動力學，從而使離子流和電場均勻化。

得益於超分子復合單元的上述優勢，組裝的鋅對稱電池表現出卓越的循環穩定性（5800小時，相當於241天）。在循環間歇測試模式下，對稱電池在累計靜置時間為1750小時的情況下仍能穩定運行，展現出了出色的抗日歷老化性能。此外，組裝的Zn/MnO₂軟包電池實現了較長的使用壽命（在1 A g⁻¹的電流密度下循環1000次），容量保持率為84.9%，並成功用於為智能手機和發光器件供電。

這項工作強調了超分子復合單元在調控鋅金屬界面晶體取向方面的重要作用，為提高水系鋅金屬電池中鋅負極的可逆性提供了一種頗具前景的策略，有望為水系電池化學帶來新的啟示。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5EE00763A

2. 原位構建動態的正極中間層實現鋅碘電池的超低自放電和高碘利用率

水系鋅碘（Zn-I₂）電池因其低成本、高安全性和長壽命等特點，在電網儲能領域展現出巨大的應用潛力。然而，現階段的Zn-I₂電池面臨一個關鍵科學問題——多碘化物穿梭效應（I₃⁻、I₅⁻等）。這些多碘化物傾向於溶解到水系電解液中，一方面導致活性碘損失，進而降低電池的庫侖效率（< 98%）和碘利用率（< 80%）。另一方面，溶解的多碘化物會向負極擴散並與鋅金屬反應，這不僅會導致鋅負極腐蝕，還會造成電池嚴重的自放電（滿電靜置兩天後> 10%）。這些問題阻礙了Zn-I₂電池的進一步發展和產業化應用。

在本文中，團隊通過四甲基碘化銨（TMAI）電解液添加劑為水系Zn-I₂電池構建了一種動態的正極中間層。四甲基銨陽離子（TMA⁺）在充電過程中通過與多碘化物反應在正極表面形成原位中間層，其可以有效抑製多碘化物的溶解和擴散，從而實現高庫侖效率和超低自放電。另一方面，該中間層具有電化學活性，在放電過程中能將多碘化物還原為I⁻離子。因此，中間層在充電和放電過程中能夠可逆地形成與溶解，從而提升電池的整體容量並實現高碘利用率。此外，電解液中的TMA⁺離子改善了鋅離子的沉積行為，能夠顯著抑製負極的枝晶生長並提升電池的循環穩定性。

由此組裝的Zn-I₂電池在0.2 A g⁻¹的平均庫侖效率達到99.8%，可在5 A g⁻¹循環36000圈並沒有容量衰減，並且在滿電靜置7天後的自放電率僅為2.9%。進一步的電化學性能評估顯示，低N/P電池（N/P= 1.85）可以穩定循環330圈並提供高達98 Wh kg⁻¹的能量密度（基於正負極活性材料）。Zn-I₂軟包電池也可以實現2.9 mAh cm⁻²的放電容量和89.1%的高碘利用率（基於正極和電解液中的碘），並成功為繩燈和發光腕帶供電。

該研究表明，由TMAI添加劑與多碘化物反應生成的動態正極中間層在阻礙穿梭效應方面非常有效。這種添加劑價格低廉，無毒無害，效果優異，為開發長循環壽命、無穿梭效應和高能量密度的水系鋅碘電池提供了廣闊的應用前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE05584E