基于莽草酸添加剂界面调控实现锌金属负极稳定化的研究

针对水系锌离子电池（AZIBs）中锌负极枝晶生长和副反应导致循环稳定性差的问题，研究人员通过引入低成本莽草酸（SA）作为电解液添加剂，重塑双电层结构并调控Zn2+ 沉积行为。实验表明，SA分子通过吸附锌表面促进(002)晶面暴露，抑制枝晶形成，使Zn//Zn对称电池在2 mA cm?2 下稳定运行1300小时，Zn//MnO2 全电池500次循环后容量保持107.3 mAh g?1 。该研究为高稳定性锌负极设计提供了新策略。

　　

在能源存储领域，水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好性备受关注。然而，锌金属负极在实际应用中面临两大挑战：一是充放电过程中不可控的锌枝晶生长会刺穿隔膜导致电池短路；二是电解液中水分子引发的副反应（如析氢腐蚀和Zn₄
(OH)₆
SO₄
·xH₂
O等腐蚀产物生成）严重损害电池循环寿命。尽管已有研究通过电极修饰或添加剂优化部分缓解问题，但如何同时实现锌均匀沉积和界面稳定仍是亟待突破的瓶颈。

针对这一难题，内蒙古大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，创新性地选用天然产物莽草酸（Shikimic Acid, SA）作为电解液添加剂。这种含有-COOH和-OH双极性基团的有机分子，不仅能重构Zn²⁺
溶剂化结构，还能在锌表面形成动态保护层。通过系统性实验与理论计算，团队证实含5 g L^?1
SA的电解液可使Zn//Cu电池库仑效率提升至99.57%，Zn//Zn对称电池循环寿命较传统ZnSO₄
电解液提升7倍以上，为AZIBs的实际应用提供了经济高效的解决方案。

关键技术方法
研究采用分子动力学模拟分析SA对Zn²⁺
溶剂化结构的影响，通过扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征锌沉积形貌与晶面取向，结合电化学阻抗谱（EIS）评估界面反应动力学。全电池测试选用MnO₂
正极材料，在1 A g^?1
下进行长循环性能评估。

研究结果

1. SA电解液特性
   SA分子在水溶液中表现出优异稳定性，其-COOH基团可降低电解液pH至3.2，有效溶解锌表面碱性副产物。拉曼光谱证实SA能取代Zn(H₂
   O)₆
   ²⁺
   中的配位水分子，形成ZnSA(H₂
   O)₅
   ²⁺
   新型溶剂化结构。

2. 界面调控机制
   分子动力学模拟显示SA能破坏水分子氢键网络，减少自由水活性。接触角测试表明SA修饰使锌电极表面能降低，XRD谱图中I₍₀₀₂₎
   /I₍₁₀₁₎
   强度比提升3.8倍，证实(002)晶面择优暴露。

3. 电化学性能
   在2 mA cm^?2
   、2 mAh cm^?2
   条件下，含SA电解液的Zn//Zn电池过电位仅25 mV，循环1300小时未发生短路。Zn//MnO₂
   全电池在1 A g^?1
   下的容量保持率较对照组提高41.7%。

结论与意义
该研究揭示了SA分子通过三重协同效应实现锌负极稳定化：①调控Zn²⁺
溶剂化结构减少活性水；②重构双电层优化离子传输动力学；③诱导(002)晶面定向沉积抑制枝晶。这种"一石三鸟"的策略不仅为AZIBs电解液设计提供了新思路，其天然产物衍生物的应用理念对开发绿色能源材料具有普适性参考价值。研究团队Runjie Chen等人特别指出，SA的低成本（约$5/克）和生物相容性使其具备规模化应用潜力，未来可进一步探索其在柔性储能器件中的性能表现。