两性离子介导界面化学实现实用化锌碘电池的突破性进展

这篇研究开创性地利用1-丁基磺酸-3-甲基咪唑鎓（BM）两性离子电解质添加剂，构建了动态双不对称界面化学体系。通过电场定向排列的BM分子在锌负极形成（100）晶面主导的均匀沉积（I100/I002=6.10），同时重构I-溶剂化结构抑制多碘化物穿梭。该策略使Zn||I2电池在20 A g-1下实现135.5 mAh g-1的高倍率性能，并在10 A g-1下保持50,000次循环91.9%容量保持率，为下一代水系储能技术提供创新解决方案。

　　

动态双不对称界面构筑
通过电场导向的1-丁基磺酸-3-甲基咪唑鎓（BM）分子排列，在锌负极表面形成独特的动态双不对称界面。分子动力学模拟显示，在-1.856 C m^-2电荷密度下，BM分子呈现垂直构型排列：疏水咪唑阳离子靠近电极，亲水磺酸阴离子远离电极。这种结构形成垂直排列的低曲折度通道，N原子和S原子的径向分布函数峰值分别位于10.4 ?和19.4 ?，与BM分子长度（约8.9 ?）相符。原位衰减全反射表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）和电化学表面增强拉曼光谱（EC-SERS）证实，随着电位从1.0 V降至0 V（vs. Zn²⁺/Zn），BM分子经历从随机分布到有序组装的构型转变。

高效可逆锌沉积/剥离
BM介导的界面使Zn||Zn对称电池在4 mA cm^-2下实现2000小时稳定循环，远超常规ZnSO₄电解质的48小时。X射线衍射（XRD）显示BM电解质中锌沉积呈现（100）晶面主导生长（I₁₀₀/I₀₀₂=6.10），而常规电解质为混合取向（I₁₀₀/I₀₀₂=0.87）。场发射扫描电镜（FE-SEM）观察到BM电解质中形成垂直排列的片状锌沉积，尺寸随BM浓度增加而减小。Zn||Cu非对称电池在10 mA cm^-2和10 mAh cm^-2条件下实现99.95%的库伦效率，有限元分析（FEA）模拟显示BM电解质能均衡电极表面电流分布。

碘正极界面反应调控
密度泛函理论（DFT）计算表明BM与I^-的吸附能为-12.43 kJ mol^-1，¹²⁷I核磁共振（NMR）显示BM降低I^-电子云密度。分子动力学模拟证实BM进入I^-的外溶剂化壳层（I^--N距离约5.4 ?），形成I^--Zn²⁺BM(H₂O)₆结构。原位紫外可见光谱（UV-vis）显示BM电解质中I₃^-特征峰（290/353 nm）强度显著降低，抑制了I₂溶解。原位拉曼光谱证实BM电解质实现无多碘化物（I₃^-/I₅^-）的氧化还原过程。

高性能锌碘电池
采用BM添加剂的Zn||I₂电池展现205.4 mAh g^-1的比容量（达理论值97.3%），在20 A g^-1下保持135.5 mAh g^-1（66.1%保持率）。10 A g^-1下循环50,000次容量保持91.9%，激光共聚焦显微镜（LCSM）显示循环后锌电极表面粗糙度（Sa）仅0.5 μm，远低于常规电解质的4.4 μm。高载量（18.7 mg cm^-2）条件下仍保持2.3 mAh cm^-2的面容量，-20°C低温环境可维持132.1 mAh g^-1容量（71.4%常温容量）。

实用化 pouch cell 验证
组装的软包电池（6.3 mg cm^-2载量）经1400次循环保持92.8%容量，五层堆叠电池实现5.0 mAh cm^-2面容量和60.6 Wh m^-2能量密度。穿刺测试后电池仍能稳定工作，机械变形（弯曲/折叠）下性能不变，成功驱动心电图和血氧传感器等可穿戴设备，展示其在柔性电子领域的应用潜力。