通过实时锌离子沉积技术，研究人员发现了一种含有吡啶环的新型尼龙类似物，这种材料能够显著提升锌阳极的性能，并使得锌离子电池具有更长的循环寿命

《Materials Today Chemistry》：Pyridine ring included new nylon analog for boosted zinc anode revealed by real-time zinc ions deposition and long cycle zinc ions batteries

锌离子电池锌负极稳定性提升研究。通过合成含吡啶基团的尼龙类似物PPA作为电解质添加剂，形成氢键网络结构的吸附膜，有效抑制锌枝晶生长和腐蚀，实现2400小时长循环寿命（1mA/cm2）及300小时稳定循环（10mA/cm2）。

　　在当今社会，随着全球工业化进程的加快，传统化石能源资源的逐渐枯竭以及环境污染问题的日益严重，开发可再生能源已成为解决环境和资源问题、满足可持续生产和生活需求的重要途径。然而，由于自然条件的限制，可再生能源面临着稳定的能源供应方面的巨大挑战，这在一定程度上阻碍了清洁能源的广泛应用。因此，为了满足持续和稳定的绿色能源需求，培育和开发低成本、高可靠性和环保型的能量存储技术已成为亟需解决的关键问题。

在众多能量存储设备中，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命而备受关注。然而，锂金属储量有限、纯有机电解液成本高且存在较大的可燃和爆炸风险，这些因素成为LIBs发展的主要障碍。在这种背景下，由于其高体积容量（5855 mAh cm?3）、出色的理论容量（820 mAh g?1）、较小的氧化还原电位（?0.76 V，基于标准氢电极）、环境友好性和低成本等优势，水系锌离子电池（ZIBs）在近年来获得了广泛的关注，被视为具有潜力的第二代储能系统。

尽管在推动ZIBs的发展方面已经取得了一些进展，包括对电池的阳极、阴极和电解液进行优化和改性，但锌离子电池在充放电循环过程中，锌阳极表面出现的枝晶生成与生长、氢气析出反应（HER）以及腐蚀等问题仍然是亟需解决的关键挑战。为此，研究者们尝试了多种策略，如电池结构设计、电极合金化、电极表面工程和电解液优化等，以解决上述问题。例如，使用疏水性离子导电膜和紧密封装技术，提高了锌离子电池的循环寿命。此外，基于阴极的稳定化方法也被证明能够改善锌离子电池的电化学性能。

近年来，由于电解液添加剂优化的简便性和高效性，电解液的改性逐渐受到重视。多种有机分子，如二甲基磺酮、聚乙二醇和葡萄糖等，已被证明可以提升锌阳极的稳定性。研究发现，对有机添加剂的亲水性和亲锌性进行适当的改进和优化，有助于进一步提高锌离子电池的性能。然而，寻找和开发新的理想有机添加剂，以抑制锌枝晶的形成、锌阳极的腐蚀以及氢气析出反应，仍然是一个重大难题。因此，有必要合成新的有机化合物作为低成本、环保且高效的电解液添加剂，以稳定水系锌离子电池。

基于上述研究进展和对锌离子电池基本机制的理解，可以发现理想的有机添加剂应具备某些特性，如氢键作用、亲水性、亲锌性、空间结构和较大的分子量。例如，含有丰富羟基的醇类及其类似衍生物已被发现能够显著稳定锌阳极。研究表明，溶剂水分子覆盖在锌电极表面可以被这些有机添加剂所取代，从而在锌阳极表面形成一层吸附膜，起到保护作用。此外，有机分子的吸附膜可能具有空间通道，这有助于抑制对锌阳极表面的侵蚀。同时，锌离子的沉积和剥离过程以及其传输动力学也可能被吸附膜所调控。此外，锌离子的溶剂化和溶剂水分子之间的氢键网络可能因添加这些有机添加剂而被破坏，从而进一步提升锌离子电池的性能。

受此启发，本研究提出设计和合成一种具有强烈氢键作用的亲水性和亲锌性相结合的尼龙类化合物，即含吡啶的聚酰胺（poly(1,5- glutaramide - pyridinediamine)，简称为PPA，如图1所示），并将其作为添加剂加入到ZnSO?电解液中，以提升水系锌离子电池的锌阳极和电化学性能。众所周知，常规尼龙如尼龙-6和尼龙-66因其氢键作用而具有良好的三维结构，因此PPA作为一种尼龙类化合物，可能也具备类似的结构特征。此外，如图1所示，PPA中的吡啶基和酰胺基团形成的共轭部分表现出良好的亲水性和亲锌性，而含有脂肪链的部分则表现出疏水性，这可能使PPA相比未经修饰的聚合物如聚乙二醇和聚酰胺，展现出更优异的性能。

通过多种原位和非原位的界面研究，发现添加PPA到ZnSO?电解液中能够显著抑制锌枝晶的形成与生长、锌阳极的腐蚀以及氢气析出反应。因此，可以实现在锌阳极上均匀的锌离子沉积与剥离，同时调控锌离子的扩散过程。最终，锌阳极的稳定性和水系锌离子电池的电化学性能得到了显著提升。例如，使用含有PPA的ZnSO?电解液的对称Zn||Zn电池在1 mA cm?2的电流密度下，其循环寿命可以达到2400小时，而使用空白ZnSO?电解液的电池循环寿命仅为200小时，即PPA的添加使得循环寿命提升了12倍。总体而言，本研究为开发具有强烈氢键作用、含杂环结构的新型亲水性和亲锌性相结合的尼龙类化合物提供了新的思路，为水系锌金属电池在未来的规模化应用提供了重要支持。

在本研究中，所使用的初始材料包括2,6-二氨基吡啶、戊二酰氯、硫酰氯和三氯化磷，这些材料均由Sigma-Aldrich公司提供。有机溶剂和无机盐则由Acros Chemical公司提供，其中包括N,N-二甲基酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、三乙胺、硫酸锌七水合物、硫酸 manganese 和高锰酸钾。聚偏二氟乙烯（PVDF）则由其他供应商提供。

为了合成目标PPA，本研究采用2,6-二氨基吡啶和戊二酰氯的共聚反应，使用弱碱催化剂如三乙胺、吡啶或碳酸钠，在室温下进行反应。实际上，该共聚反应也可以在没有弱碱催化剂的情况下顺利进行，因为2,6-二氨基吡啶可能同时作为起始分子和催化剂。此外，戊二酸可以直接作为起始分子使用，以简化反应步骤。

通过多种原位和非原位的界面研究，可以发现添加PPA到ZnSO?电解液中能够显著抑制锌枝晶的形成与生长、锌阳极的腐蚀以及氢气析出反应。因此，可以实现在锌阳极上均匀的锌离子沉积与剥离，同时调控锌离子的扩散过程。最终，锌阳极的稳定性和水系锌离子电池的电化学性能得到了显著提升。例如，使用含有PPA的ZnSO?电解液的对称Zn||Zn电池在1 mA cm?2的电流密度下，其循环寿命可以达到2400小时，而使用空白ZnSO?电解液的电池循环寿命仅为200小时，即PPA的添加使得循环寿命提升了12倍。总体而言，本研究为开发具有强烈氢键作用、含杂环结构的新型亲水性和亲锌性相结合的尼龙类化合物提供了新的思路，为水系锌金属电池在未来的规模化应用提供了重要支持。

本研究中，PPA的化学结构通过多种方法进行了全面表征。核磁共振（NMR）光谱显示，PPA中存在强烈的分子内和分子间氢键作用。实验表明，PPA中含有大量N/O基团和芳香环，这可能使其在水系锌离子电池中展现出更优异的性能。通过实验，PPA在ZnSO?电解液中的添加能够有效改善电解液环境和锌阳极界面，从而显著提升电池的循环稳定性和电化学性能。

在本研究中，所有作者对论文的贡献得到了明确的说明。Song Yang负责研究调查；Xue Yi负责正式分析；Lu Yang负责正式分析和数据管理；Yuxin Peng负责正式分析；Xianli Yi负责正式分析；Fang Gao负责撰写初稿和监督；Hongru Li负责撰写初稿、监督和资金获取；Xinchao Wang负责撰写审阅与编辑以及监督。所有作者均声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。此外，本研究得到了重庆市科学技术委员会的财务支持，并感谢重庆大学分析与测试中心的大力支持。

本研究中所涉及的电子补充信息（图S1–S6，表S1–S7）可以通过在线版本获取，网址为http://dx.doi.org/XXXX。这些补充材料进一步验证了PPA在改善锌离子电池性能方面的有效性，并为相关研究提供了重要的数据支持。