阳离子表面活性剂烷基链调控界面构象与反应实现锌负极稳定化

为解决水系锌离子电池(AZIBs)中锌负极的枝晶生长、副反应和腐蚀等问题，研究人员通过设计含梯度烷基链的阳离子表面活性剂添加剂（BTAC/OTAC/DTAC/CTAC），系统研究了烷基链诱导的界面层构象演变对锌沉积的调控机制。研究发现DTAC形成的疏水-亲锌界面层可抑制HER（析氢反应）、提升库仑效率至99.69%，并实现Zn‖Zn电池2000小时循环稳定性，为高性能AZIBs电解质设计提供了新思路。

　　

随着全球对安全、低成本储能设备的需求增长，水系锌离子电池(AZIBs)因其环保电解质、本征安全性和丰富的锌资源成为研究热点。然而，锌负极在实际应用中面临三大挑战：充电过程中锌离子不均匀沉积导致的枝晶生长、电解质中水分子引发的析氢反应(HER)，以及由此引发的电极腐蚀和容量衰减。这些问题严重制约了AZIBs的商业化进程。

为攻克这些难题，天津工业大学沧州研究院的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表了一项创新研究。他们巧妙利用阳离子表面活性剂的"两亲性"特点，通过系统调控烷基链长度（C4-C16），构建了能同时调控界面反应和锌沉积行为的智能界面层。

研究采用电化学测试、COMSOL多物理场模拟和理论计算相结合的方法。通过线性扫描伏安法(LSV)测定电化学窗口，恒电流循环评估Zn‖Zn对称电池性能，结合分子动力学模拟分析界面层构象。特别关注了四种阳离子表面活性剂（BTAC、OTAC、DTAC、CTAC）在2M ZnSO₄电解质中的行为差异。

界面层构建与电化学性能
研究发现所有表面活性剂都能形成"亲锌-疏水"界面层，其中十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)表现最优。其长链烷基形成的致密界面使Zn‖Zn电池在1 mA cm^-2下实现2000小时超长循环，Zn‖Cu电池在2 mA cm^-2时库仑效率达99.69%。COMSOL模拟显示界面层能有效缓解电解质浓度极化。

烷基链长度效应
理论计算揭示烷基链长度与界面层厚度呈正相关：DTAC的C12链形成2.3 nm厚界面层，比BTAC(C4)厚178%。这种结构既通过-N(CH₃)₃⁺基团静电排斥作用限制Zn²⁺二维扩散，又通过疏水链阻挡水分子侵蚀。

全电池验证
Zn‖MnO₂全电池测试表明，含DTAC电解质在5 A g^-1下初始容量达149.44 mAh g^-1，2000次循环后容量保持率83.02%，显著优于对照组。

该研究首次建立了阳离子表面活性剂烷基链长度-界面层构象-锌沉积行为的定量关系，提出"适度疏水链长"设计原则（C12最优）。不仅为AZIBs电解质添加剂选择提供了理论依据，其"界面构象调控"策略也可拓展至其他金属电池体系。这项工作由河北省自然科学基金(E2025110039)等资助，相关技术已申请专利保护。