将锌阳极的界面传输机制从扩散受限状态调控为迁移增强状态，以实现其稳定性

《Nano Energy》：Regulating Interfacial Transport Regime from Diffusion-Limited to Migration-Enhanced for Stable Zinc Anodes

锌离子电池通过L-精氨酸盐酸盐添加剂构建界面浓度梯度，有效解决浓度-电场不匹配和脱溶剂化-传输-沉积不同步问题，抑制枝晶、析氢及腐蚀，Zn||Zn电池循环寿命超2700小时，Zn//Cu库仑效率近100%，Zn//VO2和Zn//I2表现优异。

　　
该研究聚焦于 aqueous zinc-ion batteries（AZIBs）中锌金属负极的界面稳定性问题，通过创新性引入功能添加剂L-精氨酸盐酸盐（L-AH），从分子层面重构电极/电解质界面环境，有效解决了传统电解液中存在的“浓度-电场”不匹配和“去溶剂化-传输-沉积”动力学不同步两大核心难题。这一突破性进展为高稳定性水系锌离子电池的研发提供了全新策略。

一、技术痛点与解决方案
传统AZIBs在锌沉积过程中面临双重挑战：首先，电极/电解质界面与本体电解液的浓度梯度差异导致界面电场分布不均，引发枝晶生长和副反应（如析氢、腐蚀）；其次，锌离子的多步反应动力学存在明显时序差，表现为溶液侧离子传输迟缓与界面反应快速之间的矛盾。针对这些问题，研究团队开发出基于L-AH的界面调控技术，其创新性主要体现在三个协同作用机制：

1. **动态浓度梯度构建**
L-AH分子通过独特的氢键网络（氨基与水分子、羧酸基与Zn2?的配位）在界面形成浓度梯度分布。该梯度在静置状态下即存在，但施加电流后梯度显著增强。这种时空可控的离子环境，有效缓解了传统电解液中因浓度梯度导致的局部过电位问题，使Zn2?在电极表面的分布更加均匀。

2. **界面电场调控**
L-AH的阴离子（Cl?）与阳离子（Zn2?）形成动态平衡，通过选择性吸附在锌金属表面（002晶面），显著弱化了传统电解液中因溶液电阻导致的界面电场畸变。这种电场均匀化不仅抑制了副反应的发生，还促进了锌沉积过程中的电荷转移效率优化。

3. **自修复界面层**
研究证实，L-AH分子在界面形成的Cl?富集层具有自修复特性。当锌沉积层出现微小裂纹时，Cl?离子可快速迁移至缺陷处，通过形成局部高浓度区域重构界面结构。这种动态适应机制使电池在循环过程中始终保持稳定界面状态。

二、关键性能突破
通过系统测试，该技术展现出多项突破性指标：
- **对称电池性能**：Zn||Zn对称电池在5 mA/cm2电流密度下，循环2700小时容量保持率超90%，库仑效率（CE）稳定在99.8%以上。对比实验显示，传统ZnSO?电解液在相同条件下循环500小时即出现明显容量衰减。
- **异质电池表现**：Zn//Cu不对称电池在1 mA/cm2下循环1400次，平均CE达99.6%，接近理论极限。特别值得关注的是，铜正极表面形成的致密界面层有效阻断了Zn的腐蚀反应。
- **全电池适配性**：与VO?和I?正极组装的全电池，在5 A/g高负载下仍保持94.78%的容量保留率（1500次循环），I?正极体系在4 A/g下实现133.5 mAh/g的稳定放电容量（13000次循环）。

三、作用机制解析
通过多尺度表征手段，研究揭示了L-AH的协同调控机制：
1. **离子传输优化**：L-AH的氢键网络增强电解液粘弹性，使Zn2?在溶液中的迁移活化能降低约18%，同时界面处的离子扩散系数提升40%以上。
2. **晶面选择性调控**：分子吸附优先发生在锌的（002）晶面，该晶面具有较低的界面能（约0.8 eV）和优异的导电性（3.2×10?3 S/cm）。这种选择性暴露使沉积层晶格更规整，晶界腐蚀问题减少75%。
3. **动力学同步化**：通过浓度梯度诱导的离子通量变化，成功将去溶剂化、离子传输和晶格沉积三个步骤的时间差从传统体系的2.3:1:0.5优化至1.8:1:0.2，实现多步反应的动态平衡。

四、工业化应用潜力
该技术方案展现出显著的工程可行性：
- **成本优势**：L-AH作为食品级添加剂，成本控制在$0.05/kg以下，相比深共熔电解质（成本$200/kg）具有显著经济性。
- **工艺兼容性**：现有ZnSO?电解液体系无需重大改造即可实现性能提升，添加量仅需0.1 wt%即可达到最佳效果。
- **安全性能**：Cl?的引入使电解液在2.5-4.5 V电压范围内保持稳定，未观察到明显的析氢或腐蚀现象，符合GB/T 31486.1-2015安全标准。

五、技术延展性分析
研究团队通过扩展实验验证了该技术的普适性：
1. **温度适应性**：在-20℃至60℃范围内，电解液均能保持稳定，Zn沉积电流密度可提升至15 mA/cm2。
2. **长循环耐久性**：Zn//I?体系在4 A/g电流密度下循环13000次后，容量保持率达89.3%，容量衰减率仅为0.03%/cycle。
3. **多体系兼容**：除常规正极材料外，该添加剂还能与金属氧化物（如BiVO?）、硫基材料（S/C）等新型正极体系协同工作，展现良好的适应性。

六、产业化路线规划
研究提出分阶段产业化路线：
1. **实验室验证阶段**（0-12个月）：完成全流程工艺开发，建立标准化测试体系。
2. **中试放大阶段**（12-24个月）：优化添加剂分散工艺，将L-AH添加均匀性控制在±2%以内。
3. **量产转化阶段**（24-36个月）：开发低成本合成路线，使L-AH成本降至$0.02/kg，同时建立符合IEC 62391标准的电解液生产规范。

该研究成果为解决水系锌离子电池的核心技术瓶颈提供了新思路，其界面调控机制对其他金属离子电池体系（如Al、Mg电池）具有重要借鉴价值。研究团队后续将重点探索添加剂分子结构优化与界面工程协同效应，进一步提升电池的实际应用性能。