N-乙酰半胱胺构建疏水自组装层诱导Zn(102)/(103)非常规取向沉积抑制枝晶生长的研究

为解决水系锌离子电池中锌负极枝晶生长和可逆性差的问题，研究人员通过引入N-乙酰半胱胺（NAC）电解质添加剂，成功诱导Zn(102)/(103)晶面择优沉积。该研究揭示了NAC通过疏水自组装层调控界面能，抑制副反应，使锌负极在1 mA cm-2/1 mAh cm-2和5 mA cm-2/5 mAh cm-2条件下分别实现1150 h和780 h的长循环寿命，为高性能锌离子电池设计提供了新策略。

　　

研究背景与意义

水系锌离子电池因其高安全性和低成本成为储能领域的研究热点，但锌负极的枝晶生长和副反应严重限制了其实际应用。传统研究聚焦于Zn(002)晶面调控，但其热力学稳定性导致反应动力学迟缓，且易引发晶格畸变。近年来，(101)晶面因其高反应活性受到关注，但其大倾角特性仍会促进枝晶形成。相比之下，(102)/(103)晶面兼具小倾角和平坦沉积的优势，但相关调控策略尚未突破。

研究方法与技术

中山大学的研究团队通过引入N-乙酰半胱胺（NAC）作为电解质添加剂，结合电化学石英晶体微天平（EQCM）、双电层电容（EDLC）和接触角测试等技术，系统研究了NAC对锌沉积行为的调控机制。实验采用2 M ZnSO₄（ZS）电解液，添加20 mM NAC（NAC20），通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）表征沉积层形貌与取向。

研究结果

1. 异常锌沉积行为
NAC20电解液中的锌沉积层呈现自发剥离现象，XRD显示(102)/(103)晶面择优取向（图1b）。对称电池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下循环寿命达460 h，优于无添加剂体系（～100 h）。

2. 疏水自组装层的作用
接触角测试证实NAC在锌表面形成疏水层，EDLC分析表明其有效抑制Zn²⁺溶剂化副反应。密度泛函理论（DFT）计算显示，NAC的硫醇基（-SH）优先吸附于高能晶面，降低(102)/(103)表面能。

3. 电化学性能提升
NAC修饰的锌负极在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2和5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2条件下分别实现1150 h和780 h的循环稳定性。Zn||V₂O₅·H₂O全电池容量保持率提升20%。

结论与意义

该研究首次实现了Zn(102)/(103)晶面的定向沉积，突破了传统(002)取向的局限性。NAC通过分子设计调控界面能，形成多功能疏水层，同步抑制枝晶和副反应。相关工作发表于《Journal of Energy Chemistry》，为锌离子电池的界面工程提供了新范式。