双电极界面动力学调节剂设计实现Ah级锌碘电池的长效循环

针对锌碘(Zn-I2)电池中碘转化不可控、多碘化物穿梭和锌沉积形貌不可预测等关键问题，研究人员创新性地引入甜菜碱(Bet)作为双电极界面调节剂。通过其亲水基团(-COO)调控Zn2+溶剂化结构和电沉积动力学，亲脂基团(-N-R3)抑制多碘化物迁移并加速碘氧化还原动力学，实现了Zn-Zn对称电池7000小时超长循环和Zn-I2全电池15500次循环（衰减率仅0.007‰/次），Ah级软包电池600次循环容量保持率达92.1%，为大规模储能提供了新思路。

　　

在能源转型的大背景下，开发高效、安全的储能技术成为当务之急。水系锌离子电池(AZIBs)因其高理论容量(820 mAh g^-1)、低氧化还原电位(-0.76 V vs SHE)和环境友好等优势备受关注，其中锌碘(Zn-I<₂)电池更是因其丰富的碘资源、快速氧化还原动力学等特性被视为极具潜力的储能系统。然而，多碘化物()的穿梭效应、碘氧化还原动力学迟缓、锌沉积形貌不可控等问题严重制约了其实际应用。传统研究多聚焦于单一电极的优化，而双电极界面动力学不匹配这一核心矛盾长期未能得到有效解决。

针对这一挑战，湖南大学的研究团队在《eScience》发表了一项创新研究，提出采用低成本两性表面活性剂甜菜碱(Bet)作为电解液添加剂，通过其独特的"双亲"分子结构同步调控阴阳极界面动力学。研究发现，Bet的亲脂性季胺基团(-N-R₃)能与多碘化物相互作用，在阴极形成稳定的Zn_xBet_y[I₃]_2x界面层，不仅将碘氧化还原反应能垒从72.48 kJ mol^-1降至31.41 kJ mol^-1，还显著抑制了多碘化物穿梭；同时其亲水羧基(-COO)优先吸附在锌阳极表面，通过重构Zn²⁺溶剂化结构(→)将成核过电位从47.3 mV提升至56.4 mV，诱导形成均匀的锌沉积。这种双管齐下的策略使Zn-I₂电池性能取得突破性进展。

研究采用了多种关键技术方法：通过紫外-可见光谱(UV-vis)和拉曼光谱分析电解液组分相互作用；利用原位X射线衍射(XRD)和弛豫时间分布(DRT)技术追踪界面反应可逆性；结合密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(MD)模拟阐明分子机制；采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和扫描电镜(SEM)表征电极形貌；通过电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)评估电极动力学性能。

3.1 电解液优化与选择
通过系统筛选Bet浓度发现，含0.7 M Bet的电解液(2-05-07)在抑制多碘化物穿梭和促进电荷转移间达到最佳平衡，使电池在2 mA cm^-2下获得96.3%的库伦效率。

3.2 阴极界面修饰机制
DFT计算证实Bet与的结合能(-2.24 eV)显著高于I^-(-1.03 eV)，原位XRD观察到20.6°特征峰的可逆出现/消失，证实Zn_xBet_y[I₃]_2x界面层的动态形成/溶解。原位紫外光谱显示Bet添加剂使多碘化物特征峰(289.7/349.9 nm)完全消失。

3.3 阴极界面动力学增强
Bet使I-I键长从2.93 ?延长至3.07 ?，键级从0.72降至0.58。CV测试显示氧化还原峰过电位降低，电容贡献从23%提升至35%，表明界面反应加速。

3.4 阳极界面调控机制
Bet的-COO基团在Zn(002)面的吸附能(-2.04 eV)显著高于H₂O(-1.66 eV)。MD模拟显示Zn²⁺溶剂化鞘中H₂O配位数从5.51降至5.01，拉曼光谱证实强氢键比例从54.3%降至42.1%，有效抑制析氢反应(HER)。

3.5 阳极界面可逆性与稳定性
Zn-Zn对称电池在1 mA cm^-2下实现7000小时超长循环，CLSM显示表面粗糙度从18.9 nm降至11.8 nm。Zn-Cu半电池循环900次后平均库伦效率达98.99%。

3.6 锌碘电池电化学性能与应用
全电池在10 mA cm^-2下循环15500次容量衰减率仅0.007‰，1.15 Ah软包电池600次循环容量保持率92.1%，成功驱动机器人狗运行。

这项研究开创性地通过单一添加剂实现双电极界面协同调控，解决了Zn-I₂电池的核心瓶颈问题。Bet分子独特的"阴极锚定-阳极调控"双功能机制，不仅为理解电极界面动力学提供了新视角，其低成本(＜$5/kg)、易规模化的特点更展现出显著的产业化优势。特别是Ah级电池验证了技术可行性，为发展下一代静态储能系统奠定了重要基础，对推动清洁能源转型具有重要战略意义。