中南AEM：通过氢键增强效应削弱水活性，实现快速超稳定的锌金属负极

水分子的高活性会引发臭名昭著的副反应，严重损害锌金属负极的稳定性。

图1 基于Grotthuss机制的质子在电解液中通过氢键转移的示意图

中南大学唐晶晶、杨娟等受水溶液中质子转移机制的启发，首次将具有共致效应的外消旋体（ET）引入水系锌离子电池（ZIBs）的典型水系电解液中。作为一种促渗透剂，环形ET分子具有高极性和多个活性位点，能与H₂O分子形成更强的氢键，从而增强水的结构。ET添加剂带来的氢键增强效应增加了氢键断裂和重构的能量势垒，从而阻碍了质子在H₂O分子间的跳跃传输。

结合光谱测量、密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟，氢键增强效应和质子传输受阻得到了充分证明。此外，值得注意的是，与其他有机添加剂不同，ET添加剂对电化学体系的影响主要集中在阻碍质子传递的氢键增强作用上，而不是电极界面和Zn²⁺的溶剂化结构上，因此可以在保持快速反应动力学的同时有效抑制析氢反应及其诱导的副反应。此外，副反应被抑制后，表面异质性降低，这有利于Zn²⁺的分散成核，使沉积顺利进行，不会出现枝晶沉积。

图2 半电池性能

因此，使用含ET电解液的Zn//Zn对称电池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下可实现5700小时的超长循环寿命，在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2条件下可实现2000小时的超长循环寿命，且电压滞后较小，在不影响反应动力学的情况下，循环寿命分别延长了27倍和24倍。即使在10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2的苛刻条件下，它仍能稳定循环670小时。此外，在锌/铜不对称电池的稳定长循环过程中，CE高达 99.6%。

重要的是，优化后的电解液还使Zn//MnO₂和Zn//NV全电池实现了长期稳定寿命，这证明了实际应用的潜力。这项研究揭示了氢键调控对电解液的潜在影响机制，在保持高电化学活性的同时显著提高了锌负极的稳定性，为高性能锌离子电池的设计提供了创新见解。

图3 全电池性能

Attenuating Water Activity Through Impeded Proton Transfer Resulting from Hydrogen Bond Enhancement Effect for Fast and Ultra-Stable Zn Metal Anode. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302828

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