【摘要】 浙江大学与福建师范大学团队在《Energy & Environmental Science》发表创新研究，开发2,6-萘二磺酸钠（26 NADS）添加剂，实现宽pH范围内锌金属电池锌负极寿命7200小时突破。科学指南针提供分子动力学模拟和密度泛函理论计算支持，助力添加剂设计与机理解析。

浙江大学陆俊教授与福建师范大学曾令兴教授团队在《Energy & Environmental Science》发表创新研究成果，开发出2,6-萘二磺酸钠（26 NADS）多功能添加剂，成功实现宽pH范围内锌金属电池性能的重大突破。科学指南针为本研究提供分子动力学模拟和密度泛函理论计算支持，助力添加剂分子设计与机理解析。

研究背景与锌金属电池挑战

锌金属水电池（AZMBs）具有成本低、容量大等优点，但在宽pH电解质中面临严峻挑战：

​核心技术难题：​​

  • 水作为溶剂在锌负极界面引发副反应
  • 宽pH电解质中可逆性差、寿命短
  • 传统添加剂研究集中于单一pH电解质
  • 分子空间构型对锌负极稳定性影响规律不明确

创新方法：26 NADS分子盾牌设计

研究团队提出基于2,6-萘二磺酸钠（26 NADS）的多功能添加剂策略，突破传统添加剂局限：

​分子设计优势：​​

  • 高对称性和大尺寸特点发挥双捕获功能

  • 调节Zn²⁺溶剂化过程，平衡传质速率和还原速率

  • 通过化学吸附在锌负极表面构筑稳定分子层

  • 抑制析氢反应和副反应，实现宽pH保护

 

分子构型筛选与性能对比

通过系统比较26 NADS及其同分异构体，验证分子构型对性能的关键影响：

​构效关系发现：​​

  • 26 NADS表现出最优异的抗腐蚀性能

  • DFT计算显示最强的吸附能和稳定化学吸附

  • 高对称性确保电荷均匀分布，大尺寸利于双捕获功能

 

酸性电解质中界面调控机制

在酸性环境中，26 NADS展现出卓越的界面调控能力：

​界面稳定机制：​​

  • Zeta电位、XPS和差分电容证实分子层形成

  • MD模拟显示配位数从5.82降至5.29

  • 拉曼光谱验证氢键重构，调节Zn²⁺配位环境

 

电化学性能突破性表现

26 NADS添加剂在对称电池中实现前所未有的循环稳定性：

​性能里程碑：​​

  • Zn||Zn对称电池在4 mA cm⁻²下循环寿命达7200小时

  • 70μm超薄锌箔在80% DOD下稳定运行130小时

  • 去溶剂化能垒显著降低，促进Zn²⁺高效传输

 

宽pH普适性验证

研究进一步验证了26 NADS在近中性和碱性电解质中的适应性：

​全pH性能表现：​​

  • 近中性电解质中浓度分布均匀，电场稳定

  • 碱性环境中引导[Zn(OH)₄]²⁻均匀分布，避免钝化

  • 有限元模拟证实界面反应均匀性提升

 

全电池实际应用验证

在实际电池系统中，26 NADS展现出卓越的应用潜力：

​产业化前景：​​

  • Zn||MnO₂全电池在5 A g⁻¹下循环13000圈

  • 软包电池成功为手机供电，验证实用性

  • 锌基电容器循环寿命达26000圈

 

研究总结与展望

26 NADS添加剂通过创新的分子设计，成功解决宽pH锌金属电池的核心挑战：

​技术突破价值：​​

  • 首次实现单一添加剂全pH适应性

  • 锌负极寿命突破7200小时纪录

  • 为低成本高性能锌电池产业化提供解决方案

论文信息：Energy & Environmental Science
DOI：10.1002/anie.202415221

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