质子/氢氧根离子双路径界面水调控策略助力高可逆锌金属电池稳定循环

针对水系锌金属电池(AZMBs)中由水分解产物(H+/OH?)引发的析氢反应和界面碱化问题，研究人员创新性采用含羧基-酰胺双功能基团的草酰胺酸(OA)作为电解液添加剂。通过重构氢键网络、动态清除OH?及形成贫水内亥姆霍兹层三重机制，实现Zn||Zn电池超4000小时循环稳定性和99.5%库伦效率，为高稳定AZMBs开发提供新思路。

　　

随着碳中和目标的推进，大规模储能技术成为可再生能源并网的关键支撑。水系锌金属电池(AZMBs)凭借820 mAh g^?1的高理论容量、-0.76 V的低氧化还原电位以及本征安全性，被视为极具前景的储能解决方案。然而，水的分解产物——质子(H⁺)和氢氧根离子(OH^?)引发的析氢反应(HER)、锌腐蚀和枝晶生长，严重制约了其实际应用。特别是在界面处，遵循格罗特斯机制的质子快速迁移会加速HER，而OH^?积累导致的Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O等副产物又会破坏电场均匀性。更棘手的是，部分去溶剂化的水分子能穿透内亥姆霍兹层(IHP)直接参与氧化还原反应，形成恶性循环。

西北工业大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，提出采用含羧基(-COOH)和酰胺(-CONH₂)双功能基团的草酰胺酸(OA)作为电解液添加剂。通过分子动力学(MD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算发现，OA的极性基团能与水分子形成强氢键，将质子扩散系数从3.15×10^?9降至1.38×10^?9 m² s^?1，有效阻断质子传导路径。同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)证实OA通过动态中和反应消耗OH^?，使界面pH稳定在6.5-7.0范围。电化学阻抗谱(EIS)显示OA吸附使IHP层水含量降低42%，从根源上抑制了水的界面反应活性。

主要技术方法
研究结合MD模拟和DFT计算解析分子相互作用机制，采用原位拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)监测界面演化过程，通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)表征锌沉积形貌，并构建Zn||Zn对称电池、Zn||Cu半电池及Zn||α-MnO₂全电池验证电化学性能。

研究结果

1. 氢键网络重构：径向分布函数分析显示OA使水分子间氢键数量减少23%，质子迁移能垒提升至0.38 eV。
2. 动态pH缓冲：质谱检测到OA-OH加合物信号，证实其通过可逆的脱质子反应维持中性界面环境。
3. 界面吸附调控：接触角测试表明OA使锌表面润湿角增大58°，形成疏水界面层。

结论与意义
该研究开创性地提出"双路径阻断"策略：通过OA分子同时干预H⁺的格罗特斯传导和OH^?的界面积累，使Zn||Zn电池在5 mA cm^?2下实现13.75 Ah cm^?2的累积镀锌容量。软包电池600次循环后仍保持81.5%容量，验证了该策略的产业化潜力。这种界面水行为的协同调控范式，为其他金属-水电池体系的设计提供了普适性思路。