为积极应对全球气候变化并扎实推进我国“碳达峰、碳中和”战略目标的实现，发展安全高效的大规模储能技术已成为推动能源转型的核心环节。水系锌金属电池（AZMBs）凭借其卓越的安全性、环境友好特性、低成本优势以及锌元素的高丰度，正加速成为支撑可再生能源大规模并网、实现电网级储能目标的关键候选技术。然而，当前AZMBs在技术上仍存在锌负极可逆性差和利用率低，以及正极载量有限、稳定性不佳等关键问题。这极大限制了其实际应用中的能量密度上限，严重阻碍了AZMBs真正走向规模化应用。近年来，研究团队针对AZMBs面临的核心挑战，在提升AZMBs综合性能方面开展了一系列原创性研究工作，相关成果已发表在Nat. Commun., 2021, 12(1):6606；Nano-Micro Lett., 2022, 14(1): 1-14；Energy Storage Mater., 2023, 62: 102920；Sci. China Mater., 2023, 66(12): 4595-4604；Chem. Eng. J., 2023, 474；Energy Storage Mater., 2024, 68: 103367；Energy Storage Mater., 2024, 73: 103800。

近日，团队基于前期研究积累，在水系锌金属电池领域再次取得新进展，相关成果连续在能源材料领域学术期刊Energy & Environmental Science上发表。

1. 超分子主客体单元协同增强晶面选择性吸附调控（002）织构锌致密沉积

不可控的枝晶生长和副反应导致锌负极可逆性较差，严重阻碍了AZMBs的性能发挥。研究表明，在沉积过程中控制晶面取向，特别是锌（002）晶面的取向，是应对上述挑战最为有效的策略之一。然而这在实际运用中面临关键瓶颈：在锌沉积/溶解的循环过程中，固有的晶格失配效应会引发电极结构畸变的动态累积，导致锌负极的放电深度受限，严重制约其实际应用中的能量密度上限。突破这一基础科学问题，对于推动水系锌金属电池技术向商业化应用迈进具有决定性意义。

由此，研究团队提出基于协同增强晶面选择性吸附的创新策略，成功实现了锌（002）晶面择优取向沉积的有效调控。研究表明，利用超分子化学中的主客体相互作用能够协同增强对锌晶面的选择性和吸附能力，有利于在高电流密度/大面积容量工况下实现均匀的锌（002）晶面沉积。同时，锌表面有序锚定的超分子复合单元界面的空间位阻效应，不仅能构建贫水界面有效抑制副反应，还起到了离子缓冲带的作用，缓和快速的反应动力学，从而使离子流和电场均匀化。

得益于超分子复合单元的上述优势，组装的锌对称电池表现出卓越的循环稳定性（5800小时，相当于241天）。在循环间歇测试模式下，对称电池在累计静置时间为1750小时的情况下仍能稳定运行，展现出了出色的抗日历老化性能。此外，组装的Zn/MnO₂软包电池实现了较长的使用寿命（在1 A g⁻¹的电流密度下循环1000次），容量保持率为84.9%，并成功用于为智能手机和发光器件供电。

这项工作强调了超分子复合单元在调控锌金属界面晶体取向方面的重要作用，为提高水系锌金属电池中锌负极的可逆性提供了一种颇具前景的策略，有望为水系电池化学带来新的启示。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE00763A

2. 原位构建动态的正极中间层实现锌碘电池的超低自放电和高碘利用率

水系锌碘（Zn-I₂）电池因其低成本、高安全性和长寿命等特点，在电网储能领域展现出巨大的应用潜力。然而，现阶段的Zn-I₂电池面临一个关键科学问题——多碘化物穿梭效应（I₃⁻、I₅⁻等）。这些多碘化物倾向于溶解到水系电解液中，一方面导致活性碘损失，进而降低电池的库仑效率（< 98%）和碘利用率（< 80%）。另一方面，溶解的多碘化物会向负极扩散并与锌金属反应，这不仅会导致锌负极腐蚀，还会造成电池严重的自放电（满电静置两天后> 10%）。这些问题阻碍了Zn-I₂电池的进一步发展和产业化应用。

在本文中，团队通过四甲基碘化铵（TMAI）电解液添加剂为水系Zn-I₂电池构建了一种动态的正极中间层。四甲基铵阳离子（TMA⁺）在充电过程中通过与多碘化物反应在正极表面形成原位中间层，其可以有效抑制多碘化物的溶解和扩散，从而实现高库仑效率和超低自放电。另一方面，该中间层具有电化学活性，在放电过程中能将多碘化物还原为I⁻离子。因此，中间层在充电和放电过程中能够可逆地形成与溶解，从而提升电池的整体容量并实现高碘利用率。此外，电解液中的TMA⁺离子改善了锌离子的沉积行为，能够显著抑制负极的枝晶生长并提升电池的循环稳定性。

由此组装的Zn-I₂电池在0.2 A g⁻¹的平均库仑效率达到99.8%，可在5 A g⁻¹循环36000圈并没有容量衰减，并且在满电静置7天后的自放电率仅为2.9%。进一步的电化学性能评估显示，低N/P电池（N/P= 1.85）可以稳定循环330圈并提供高达98 Wh kg⁻¹的能量密度（基于正负极活性材料）。Zn-I₂软包电池也可以实现2.9 mAh cm⁻²的放电容量和89.1%的高碘利用率（基于正极和电解液中的碘），并成功为绳灯和发光腕带供电。

该研究表明，由TMAI添加剂与多碘化物反应生成的动态正极中间层在阻碍穿梭效应方面非常有效。这种添加剂价格低廉，无毒无害，效果优异，为开发长循环寿命、无穿梭效应和高能量密度的水系锌碘电池提供了广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE05584E