构建“亲水-疏水-亲锌”梯度结构固体电解质界面层实现锌电极长周期稳定循环

为解决水系锌离子电池(AZIBs)中锌电极枝晶生长和副反应问题，研究人员通过引入2-巯基乙磺酸钠(Mesna)添加剂，构建了具有“亲水(SO3?)-疏水(烷基/巯基)-亲锌(Zn-S键)”三重梯度功能的SEI层。该设计使Zn||Zn半电池在1 mA cm?2下实现3500小时超长循环，51.2%深度放电时仍稳定运行400小时，为高稳定性AZIBs开发提供了分子界面工程新策略。

　　

随着全球对安全、低成本储能需求的激增，水系锌离子电池(AZIBs)因其不易燃的电解液和高达5855 mAh cm^?3的理论容量备受瞩目。然而，锌电极在循环过程中面临两大“顽疾”：一是枝晶的野蛮生长会刺穿隔膜引发短路，二是电解液中水分子分解导致的氢析出反应(HER)和腐蚀现象。更棘手的是，传统解决方案往往顾此失彼——疏水涂层虽能阻隔水分却阻碍Zn²⁺传输，而单一功能界面层在高深度放电(DOD)条件下易发生机械失效。

针对这一瓶颈，北京某高校团队在《Applied Surface Science》发表创新研究，提出“功能梯度化”SEI层设计理念。研究人员选用临床药物2-巯基乙磺酸钠(Mesna)作为电解液添加剂，其分子结构中的SO₃^?、烷基链和-SH基团可自发组装成三层梯度结构。通过密度泛函理论(DFT)计算结合电化学表征，团队揭示了该结构的多级调控机制：最外层SO₃^?通过静电作用形成亲水界面，将Zn²⁺脱溶剂化能垒从1.72 eV降至0.85 eV；中间烷基/巯基构成的分子屏障使水渗透率降低83%；内层Zn-S键的结合能(-3.41 eV)远超Zn-O键(-0.12 eV)，确保界面稳定性。

关键实验技术
研究采用DFT计算比较Mesna与H₂O在Zn(002)晶面的吸附能，通过分子动力学模拟分析界面水分子排布。电化学测试包含循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒流循环，结合X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)表征SEI组分与形貌。

Mechanism analysis of the Mesna SEI layer
DFT计算显示Mesna的-SH端在Zn面吸附能达-3.41 eV，远高于H₂O的-0.12 eV，实现水分子置换。分子动力学模拟证实SO₃^?使界面水分子取向角从54.3°提升至78.6°，形成有序双电层。

Electrochemical performance evaluation
改性Zn||Zn电池在1 mA cm^?2/1 mAh cm^?2条件下极化电压仅25 mV，循环3500小时后仍保持92%容量。51.2% DOD苛刻条件下，Zn沉积过电位稳定在38 mV，远超对照组(126 mV)。

Conclusion
该研究开创性地提出梯度功能SEI设计策略，三重结构协同实现：①SO₃^?促进离子迁移；②烷基链抑制HER；③Zn-S键保障机械稳定性。Mesna改性使Zn||Cu电池库伦效率达99.46%，为解决AZIBs商业化难题提供了新思路。

研究意义不仅在于创纪录的循环性能，更启示了“功能分区”界面工程理念——通过精确调控分子间相互作用力，可突破传统单组分SEI的性能天花板。这种设计原则可拓展至其他金属电极体系，为下一代高安全储能器件开发指明方向。