【摘要】 哈尔滨工业大学（深圳）黄燕教授团队在《Energy & Environmental Science》发表研究，提出电化学并联设计理念，开发PCA-Na生物质添加剂实现多维锌金属电池性能优化。科学指南针提供理论计算支持，助力机理解析。

哈尔滨工业大学（深圳）黄燕教授团队在《Energy & Environmental Science》发表创新研究成果，提出"电化学并联"电解液设计新理念，开发吡咯烷酮羧酸钠（PCA-Na）生物质添加剂，实现多维锌金属电池性能协同优化。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理深度解析与材料设计。

 

研究背景与锌金属电池挑战

锌金属电池（ZMBs）作为"后锂离子"电池技术的重要候选，在过渡金属氧化物基锌离子电池、锌空气电池、锌卤素电池和锌有机电池等领域展现出广泛应用前景。电解液作为电池运行的"血液"，其设计优化对ZMBs性能至关重要。

​核心挑战分析：​​

  • 电解液难以同时满足不同ZMBs体系的特异性需求

  • 传统策略侧重于解决共有问题，忽略不同储能机制的内在挑战

  • 需要实现"特异性"与"通用性"的有机统一

  • 锌负极枝晶生长和副反应问题制约整体性能

 

创新方法：电化学并联设计理念

研究团队提出"电化学并联"新型电解液设计理念，通过生物启发型添加剂PCA-Na，在提升锌负极性能的同时协同应对多体系关键挑战。

​技术突破要点：​​

  • 选取Zn||MnO₂、锌空气电池和Zn||I₂三种典型体系进行验证

  • PCA-Na源自人体天然保湿因子，具有丰富亲核基团

  • C=O、-NH-和-COO⁻基团赋予强配位能力和锌亲和性

  • 弱酸性-COO⁻基团提供pH缓冲作用，含氧官能团抑制水分蒸发

 

PCA-Na作用机制与电解液优化

通过构建PCA⁻增强电解液（EPBE），实现锌负极热力学稳定性与动力学行为的协同优化。

​机制深入研究：​​

  • PCA⁻优先与Zn²⁺配位，重构其溶剂化结构，降低水活性

  • 与水分子形成氢键，削弱水分子间氢键作用，减少自由水含量

  • 在Zn表面形成稳定非牺牲性吸附层，抑制副反应和枝晶生长

  • "传送带式"机制促进Zn²⁺均匀迁移与沉积

 

锌负极沉积行为与界面调控

采用电化学测试与形貌表征系统研究PCA⁻对Zn²⁺沉积行为的调控作用，证实其改善沉积均匀性的效果。

​表征结果发现：​​

  • EPBE体系中Zn负极表面平整，无枝晶或副反应产物

  • XRD显示EPBE维持Zn(002)择优取向，有利于均匀沉积

  • SEM和光学显微镜证实沉积层分布均匀，界面平滑

  • PCA⁻抑制Zn²⁺无序迁移，促进三维传输机制

 

电化学性能与循环稳定性

在热力学与动力学双重调控下，PCA⁻显著提升锌负极的沉积/剥离稳定性和循环寿命。

​性能卓越表现：​​

  • Zn||Zn对称电池在5 mA cm⁻²、5 mAh cm⁻²下循环超过5200小时

  • 10 mA cm⁻²、10 mAh cm⁻²条件下稳定运行超过3600小时

  • Zn||Cu不对称电池库仑效率达99.87%，循环2050次

  • 软包电池循环寿命提升24.3倍，累计容量达704 Ah

 

Zn||MnO₂电池性能优化

系统探讨PCA-Na在Zn||MnO₂电池中的pH缓冲作用，有效抑制电解液pH波动，提升电池性能。

​性能提升效果：​​

  • EPBE电解液提供平稳pH变化趋势，缓解H⁺积累不利影响

  • 实现更长充放电时间、更高放电容量和优异循环性能

  • 连续循环800次后容量保持率达88.12%

  • 提升MnO₂沉积/溶解可逆性，增强能量密度和循环稳定性

 

锌空气电池应用表现

研究PCA-Na在锌空气电池中的应用，证实其增强抗腐蚀能力和抑制溶剂挥发的双重功效。

​应用优势体现：​​

  • 构建稳定氢键网络，有效抑制电解液溶剂挥发

  • 改性碱性电解液（AEPBE）循环寿命超过600小时

  • 水分保持率达83.83%，保质期超过1000小时

  • 长时间静置后仍维持正常运行，展现优越储能稳定性

 

Zn||I₂电池穿梭效应抑制

针对碘正极体系的特殊挑战，研究PCA-Na对多碘离子穿梭效应的抑制机制。

​机理与性能突破：​​

  • PCA-Na有效减缓碘引起的锌负极腐蚀，抑制穿梭效应

  • 紫外-可见光谱显示I₃⁻吸收峰显著减弱，消耗速度减慢

  • DFT计算证实PCA-Na形成强静电排斥层，抑制多碘离子穿梭

  • 高负载高电流密度下循环超过1300次，容量保持稳定

 

总结与展望

本研究通过PCA-Na添加剂将多个独立分支系统整合为完整"电化学并联电路"，实现多维锌金属电池一体化改性。

​创新价值总结：​​

  • 首创适用于多ZMBs体系的整体电解液设计框架

  • 突破传统固定电解液改性策略的局限性

  • 为电池制造简化流程、减少设计复杂度提供可能

论文信息：Energy & Environmental Science, 2025
DOI：https://doi.org/10.1039/d5ee00237k

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