近日，北京化工大学材料科学与工程学院于中振教授/曲晋教授团队在国际著名期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Constructing Dynamic Anode/Electrolyte Interfaces Coupled with Regulated Solvation Structures for Long-Term and Highly Reversible Zinc Metal Anodes”的学术论文。本文首次研究了三（羟甲基）氨基甲烷(Tris)分子作为电解液添加剂构建动态吸附层改善负极/电解液界面环境以及调控Zn²⁺的溶剂化结构以实现高度可逆的锌负极。

水系锌离子电池 (AZIBs) 以其高安全性、高体积能量密度 (5855 mAh cm⁻³)、低氧化还原电位 (Zn/Zn²⁺ at -0.76 V vs SHE) 以及环境友好性而被认为是最具竞争力的候选储能系统之一。然而，对于锌负极而言，严重的电极/电解液界面（AEI）问题，如析氢反应、副产物生成、以及严重的锌枝晶等问题，都极大损害了 AZIBs 的安全性和使用寿命，从而阻碍了其实际应用的推广。在AZIBs的充放电过程中，负极/电解液界面 (AEI) 是进行锌离子沉积与剥离的场所，因此为实现均匀沉积而达到延长电池寿命目的的关键之一是优化AEI，而解决界面问题的关键是改善锌离子的溶剂化结构以及锌金属表面的沉积/剥离动力学。

本工作中，富含孤对电子的Tris添加剂以垂直三配位结构取代锌表面的吸附水，并相应地改善锌负极在弛豫过程中腐蚀反应的发生。更重要的是，由于Tris比H₂O具有更低的极性和更大的尺寸特征，在Zn²⁺电镀/剥离过程中，Tris与锌负极的配位结构可以随着外加电场的周期性变化而在稳定的三配位结构和不稳定的一配位结构之间变化，从而形成动态吸附层。因此，Tris吸附结构在周期性变化的外加电场下的诱导取向极化、体积排斥效应以及与H₂O的分子间作用力，使得垂直吸附的Tris可以作为吸附位点均匀Zn²⁺沉积并加速Zn²⁺从扩散层向负极的迁移，以获得增强的Zn²⁺迁移动力学。此外，Tris可以进入Zn²⁺的溶剂化壳层，抑制析氢反应的发生。具有Tris/ZnSO₄电解质的对称电池在3 mA cm^-2和1 mA h cm^-2的电流下提供了超过2600 h的稳定循环，显著提高了Zn²⁺沉积/剥离的可逆性和循环稳定性，为制备高度可逆的锌负极提供了新的思路，并将有助于水系锌电池的进一步发展。

本文第一作者为硕士生韩美晨，于中振教授和曲晋教授为本文通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章信息：Mei-Chen Han, Jia-Hao Zhang, Chun-Yu Yu, Jia-Cheng Yu, Yong-Xin Wang, Zhi-Guo Jiang, Ming Yao, Gang Xie, Zhong-Zhen Yu*, Jin Qu*, Constructing Dynamic Anode/Electrolyte Interfaces Coupled with Regulated Solvation Structures for Long-Term and Highly Reversible Zinc Metal Anodes, Angew. Chem. Int. Ed, 2024, DOI: 10.1002/anie.202403695