微量C3H6O3添加剂重构锌阳极界面提升水系锌离子电池性能

针对水系锌离子电池（AZIBs）中锌阳极的析氢反应（HER）、腐蚀和枝晶生长等问题，研究人员通过引入微量低成本添加剂二羟基丙酮（C3H6O3），重构Zn2+溶剂化鞘层并调控界面反应。该研究实现了Zn||Cu电池>99%的库仑效率和Zn||Zn对称电池1600小时稳定循环，为高性能AZIBs开发提供了新策略。

　　

随着可再生能源发电的间歇性问题日益突出，电网级储能技术需求激增。尽管锂离子电池凭借高能量密度占据市场主导地位，但锂资源稀缺性和有机电解液易燃性限制了其大规模应用。水系锌离子电池（AZIBs）因其成本低廉、安全性高和锌金属阳极理论容量大（820 mAh g^?1）等优势成为研究热点，然而锌阳极界面存在的析氢反应（HER）、腐蚀和枝晶生长三大难题严重制约其发展。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果，提出采用微量（20 mM）二羟基丙酮（C₃H₆O₃）作为电解质添加剂。通过调控Zn²⁺溶剂化结构和界面吸附行为，该研究同时解决了析氢、腐蚀和枝晶问题，使Zn||Cu半电池库仑效率突破99%，Zn||Zn对称电池在1 mA cm^?2下实现1600小时超长循环，较传统ZnSO₄电解液（248小时）提升6倍以上。

关键技术方法
研究结合密度泛函理论（DFT）计算与实验验证：通过分子动力学模拟分析溶剂化结构变化；采用原位光学显微镜观察锌沉积形貌；利用X射线光电子能谱（XPS）表征界面化学组成；通过电化学阻抗谱（EIS）和塔菲尔曲线评估界面反应动力学；采用对称电池和全电池测试验证长期循环稳定性。

研究结果

1. Zn²⁺溶剂化结构调控
   DFT计算显示C₃H₆O₃与Zn²⁺结合能（-5.31 eV）显著高于H₂O（-4.72 eV），使溶剂化结构从[Zn(H₂O)_5.5]²⁺转变为[Zn(H₂O)_4.3(C₃H₆O₃)_1.2]²⁺，活性水分子减少42%。

2. 界面吸附与枝晶抑制
   分子动力学模拟证实C₃H₆O₃优先吸附于Zn(002)晶面（吸附能-0.67 eV），形成水分子贫乏的亥姆霍兹层。原位观测显示锌沉积由枝晶状变为致密层状，成核过电位从58 mV降至31 mV。

3. 电化学性能提升
   改性电解液使Zn||Cu电池在1 mA cm^?2下库仑效率达99.2%，Zn||Zn电池在10 mA cm^?2高电流密度下循环220小时仍保持稳定，过电位仅65 mV。

结论与意义
该研究阐明了C₃H₆O₃通过"溶剂化重构-界面吸附"双机制协同作用：羟基和酮基官能团既参与Zn²⁺配位降低水活性，又通过选择性吸附引导锌均匀沉积。相比现有添加剂，这种简单三元醇分子以微量（0.18 wt%）实现多重界面调控，为开发低成本、长寿命AZIBs提供了新思路，对推动大规模储能技术发展具有重要实践价值。