重大突破！新疆大学蔺何团队打造界面设计新范式：戊二酰亚胺重构双电层实现锌均匀沉积

随着新能源技术的快速发展，大规模储能系统需求日益增长。水系锌离子电池(AZIBs)因其高安全性、高理论容量(820 mAh g^-1)、低氧化还原电位及环境友好等优势，成为研究热点。然而，锌负极界面不稳定、副反应频发、枝晶生长等问题严重制约其实际应用。研究表明，电池的可逆性和循环寿命都与复杂的电极/电解液界面密切相关。因此，调控和优化这些界面对于提升电池性能有着重要意义。

近日，新疆大学蔺何团队在国际期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Protecting Zinc Electrodes with Glutarimide: A Breakthrough in Dendrite Prevention and Cycle Life Extension”的文章，团队提出了一种含酰亚胺结构的环状化合物，戊二酰亚胺(Glu)分子作为水系电解液以重构电极/电解液界面的双电层结构，提高锌负极可逆性和稳定性。得益于其独特的分子结构，该添加剂占据Zn-电解液双电层(EDL)的致密区域，从而保护锌负极在水系电解液中免受寄生腐蚀。理论计算与实验表征证实了Glu分子优先吸附于电极表面，取代内Helmholt层中的水分子，构建贫水型双电层结构。该贫水型双电层有效抑制副反应、加速界面动力学并促进Zn²⁺沿(002)晶面有序沉积，抑制枝晶形成。基于此，Zn//Zn对称电池在1 mA cm^-2电流密度(1 mAh cm^-2)下工作6275 h，在5mA cm^-2 (1 mAh cm^-2)的条件下实现了3460 h的超长循环寿命，Zn//Cu半电池平均库仑效率达99.57%(ZSO，98.74％)。此外，Glu在Zn//CaVO全电池中以5 A g⁻¹电流密度循环1000次后仍能保持68.38%的容量保持率，凸显了Glu添加剂对提升锌电化学性能的重要贡献。这项工作创新性地展示了Glu在提升水系锌离子电池稳定性和性能方面发挥了重要作用，为开发高可逆水系锌离子电池提供了新的方案。研究成果发表于《Adv.Funct.Mater》，第一作者为硕士生胡宽，通讯作者为蔺何副教授。

接触角测试表明Glu提升了电解液在锌箔的润湿性(接触角从82.1°降至64°)。原位拉曼光谱显示Glu在电极表面的特征峰强度随时间增加，直接证明了其在界面的特异性吸附。进一步采用XPS证实Glu通过其官能团(-NH-)与锌表面发生了化学吸附。DFT计算进一步表明，Glu在Zn(002)晶面的吸附能(-0.79 eV)远高于水分子(-0.23 eV)，且水平吸附构型更稳定，从理论上解释了Glu能竞争取代水分子并重构双电层的原因。以上测试都能表明Glu特异性吸附，重构了双电层。该重构行为进一步得到电化学双电层电容数据的支持：其值由188.8 μF cm^-2显著提升至85 μF cm^-2，明确反映了双电层从“水富集”向“水短缺”的结构转变。

LSV和Tafel测试发现Glu能显著抑制锌负极表面的析氢反应(HER)和腐蚀反应。SEM对浸泡后的锌箔分别表征表面形貌与物相组成的变化，发现Glu的添加能有效抑制副反应发生，减少ZSH副产物的形成。通过计算循环过程中的CE来评估锌负极的可逆沉积/剥离行为及其利用率。在长周期沉积/剥离可逆性测试中，采用ZSO电解液组装的Zn//Cu半电池在1 mA cm^-2和1 mAh cm⁻²电流密度下循环105次后，库仑效率出现显著波动。相比之下，Glu电解液中的Zn//Cu半电池表现出卓越的循环稳定性，循环次数超过1300次，平均CE达99.57%。这些结果充分表明，Glu添加剂通过抑制锌负极表面的副反应，显著提升了Zn²⁺沉积/剥离过程的可逆性和循环稳定性。

采用XRD对循环后的锌负极表面进行表征，发现使用Glu的锌负极表面副产物显著减少，证明其能有效抑制循环过程中的持续副反应。同时，(002)晶面衍射峰强度比(I002/I100)从3.80提升至4.76，证明Glu能引导锌优先沿(002)晶面沉积。并且通过SEM和AFM显示Glu能有效调控锌沉积行为，从而形成致密、光滑的沉积层，有效抑制枝晶生长。这是由于Glu改变Zn²⁺的界面扩散行为，引导其进行均匀的三维成核，并增加了成核过电位，减小锌成核半径，实现致密沉积。

Glu使Zn//Zn对称电池实现了超长循环寿命和优异倍率性能。在1 mA cm^-2，1 mAh cm^-2条件下，循环寿命从ZSO电解液的290 h提升至6275 h。5 mA cm^-2，1 mAh cm^-2条件下，循环寿命从ZSO电解液的240 h提升至3460 h当电流密度。从0.5 mA cm⁻²增至10 mA cm⁻²时，两种电解液在低电流密度下极化电压相近，但随着电流密度继续增大，ZSO电池出现不稳定电压波动并最终失效，而Glu电解液电池在整个测试过程中保持稳定的电压极化，即使在高电流密度下仍展现出优异的动态响应能力，而ZSO电池已失效。其综合性能显著优于文献中报道的大多数电解液添加剂。

组装Zn//CaVO全电池以评估Glu添加剂在实际应用中的卓越效果。结果表明，该添加剂在5 A g^-1的高电流密度下，循环循环1000次后容量保持率高达68.38%，并且在倍率性能测试中展现出更高的比容量和更好的可逆性。CV曲线显示，两种电解液均存在多个放电平台，表明Glu的加入不影响CaVO正极的氧化还原反应。自放电测试进一步证明，静置24 h后，含Glu电池的容量保持率高达86.75%，远优于基准电解液的81.88%。

本研究引入戊二酰亚胺(Glu)来修饰水系锌离子电池电解液界面的双电层(EDL)，旨在抑制寄生腐蚀并实现对锌沉积的精准调控。Glu能有效抑制锌吸附原子的自扩散行为，显著调节界面反应动力学，提升锌电极稳定性，从而防止有害枝晶生长并提高库伦效率。通过降低界面张力，Glu重构了双电层结构，限制锌阳极与水的接触，有效抑制了寄生反应。还促进了阳极界面均匀致密的成核过程，加速界面动力学，大幅提升锌剥离/沉积的可逆性。得益于这些优势，锌阳极展现出卓越的循环稳定性：在1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²的条件下Zn//Zn对称电池循环寿命超过6275 h；在高电流密度5 mA cm⁻²下仍保持3460 h以上的循环寿命。库伦效率从纯ZSO电解液的98.74%提升至99.57%(1 mA cm⁻²，1 mAh cm⁻²)。Zn//CaVO全电池也表现出优异的长期循环性能，1000次循环后容量保持率达68.38%。该研究为未来界面设计策略提供了重要启示，并为下一代储能设备提供了经济可行且实用的解决方案。

“Protecting Zinc Electrodes with Glutarimide: A Breakthrough in Dendrite Prevention and Cycle Life Extension”

蔺何，于意大利米兰比可卡大学获得材料化学博士学位，曾在美国普林斯顿大学从事课题研究。主要从事新能源材料，功能碳材料的设计、制备及应用等方面的研究。入选国家高层次留学人才回国资助计划，入选新疆大学优秀青年教师培育计划，主持国家自然科学基金、省部级自然科学基金等科研项目。先后在Advanced Functional Materials、Small、Nano Energy、Chemical Science、Advanced Optical Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等学术期刊上发表高质量学术论文。荣获新疆大学课程思政教学名师，第五届全国高校教师教学创新大赛省部级特等奖，第四届全国高校教师教学创新大赛省部级一等奖，第二届全国高校教师教学创新大赛省部级二等奖，新疆大学首届青年教师教学竞赛一等奖，新疆大学首届“我最喜爱的老师”奖，新疆大学课程思政教学竞赛一等奖，新疆大学高等教育教学成果奖，教育部工科化学基础虚拟教研室课程思政大赛一等奖，西部联盟第一届课程思政案例大赛一等奖等荣誉。主持省部级本科一流课程，省部级本科教学改革研究项目、新疆大学课程思政示范项目、新疆大学智慧课程建设。

课题组依托新疆大学“省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室”，具备优秀的人员配置和良好的实验环境。课题组成员致力于新能源材料和功能碳材料的设计与制备工艺研究，在材料的设计、合成、表征等方面具有较为扎实的专业基础知识和丰富的实践经验，能够对材料的综合理化性质和电化学性能进行合理有效地评价。课题组一方面积极投身一线科学研究工作，同时又致力于优秀研究生的培养，欢迎有志青年加入我们的团队。