汪国秀/徐晶ACS Nano: 加点天然蛋白质添加剂，实现高性能锌离子电池！

可充电水系锌离子电池具有安全性、资源丰富、毒性低、理论容量高及氧化还原电位低等优势，但在重复电镀/剥离过程中锌负极发生寄生副反应的巨大挑战阻碍了其实际应用。

为解决上述挑战，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、郑州大学徐晶副教授及Xiaolong Shi等人报道了将丝素蛋白（SF）作为水系锌离子电池的多功能电解液添加剂。包含圆二色（CD）光谱、XPS分析、DFT计算及AIMD模拟在内的实验与理论研究表明，SF分子在水系ZnSO₄电解液中经历了从α-螺旋向无规则卷曲的二级结构转变，这使其有效地削弱了自由水分子之间的氢键相互作用。

同时，SF分子也取代了Zn²⁺溶剂化鞘中的结合水形成[Zn(H₂O)₄(SF)]²⁺溶剂化结构。[Zn(H₂O)₄(SF)]²⁺溶剂化鞘层释放的SF分子逐渐吸附在Zn负极表面并原位形成水稳定和自修复的保护膜，这种SF基保护膜不仅表现出很强的Zn²⁺亲和力以促进均匀的Zn沉积，而且具有良好的绝缘性能来抑制寄生副反应。

图1. 含SF添加剂的水系电解液溶剂化结构分析

因此，采用1 M ZnSO₄ + 0.5 wt % SF电解液的Zn||Zn对称电池在1 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下实现了超长循环寿命（超过1600小时）。少量SF对降低水分活度的作用不大，不足以形成保护膜。然而，过多的SF添加剂也会导致电压滞后增加，这表明由于较小的离子电导率和过量的SF含量引发的较厚保护膜导致Zn沉积的高能垒。

此外，即使在恶劣的充放电条件下（10 mA cm^-2和5 mAh cm^-2），该对称电池仍表现出500小时的出色循环性能。更重要的是，Zn||KVO全电池在3 A g^-1下1000次循环后具有170 mAh g^-1的高容量和98.3%的高CE。总之，这项工作为利用天然蛋白质分子作为绿色和有效的电解液添加剂在锌负极上原位构建保护膜提供了一条途径，并为实现安全和高性能的锌离子电池提供了有益的指导。

图2. Zn||KVO全电池性能评估

In Situ Construction of Protective Films on Zn Metal Anodes via Natural Protein Additives Enabling High-Performance Zinc Ion Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c05285

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