精选
研究背景
水系锌离子电池(AZIBs)因其高的安全性、可靠性、环境友好性和成本效益而引起了广泛的关注。然而，锌枝晶生长会引起较差的可逆性，严重时会引发电池短路，是水系锌离子电池的商业化进程的主要障碍。对于锌(六方密堆积)体，(002)晶面具有最低的表面能和最慢的生长速度，呈现出表面反应控制的沉积过程，从而缓解了严重的Zn2⁺通量和副反应。因此，诱导Zn(002)面生长可以有效地缓解枝晶生长和副反应的问题。
Exposing Zn(002) Texture with Sucralose Additive for Stable and Dendrite Free Aqueous Zinc Ion Batteries
Feiyu Tao, Yingke Ren, Li’e Mo, Yifan Wang, Yang Huang, Hong Zhang, Chengwu Shi, Zhaoqian Li*, Jiaqin Liu, Lei Chen*, Linhua Hu*, Yucheng Wu*
Nano-Micro Letters (2026)18: 107
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01954-3
本文亮点
1. 晶面调控：三氯蔗糖作为一种电解质添加剂，可促进Zn(002)晶面的暴露。
2. 溶剂化结构调节：三氯蔗糖能够破坏Zn2⁺周围的溶剂化结构，并降低锌负极上的水活性。3. 高放电深度，稳定长循环：添加SCL添加剂后，Zn//Zn电池在30 mA cm⁻2–30 mAh cm⁻2(放电深度 DOD = 73.3%)下实现了171小时的循环寿命。Zn//Cu电池在0.2 mA cm⁻2、0.2 mAh cm⁻2下实现了高达99.61%的库仑效率。
内容简介
合肥理工学院吴玉程、李兆乾等人构建了一种以调整阳极/电解质界面状态为重点的先进电解液调制工程，通过三氯蔗糖的吸附调节，诱导Zn(002)织构生长并抑制有害的副反应。通常，库仑效率是在大于 0.5 mA cm⁻2 的电流密度下测量的，因为较高的电流会掩盖HER效应并提高库伦效率。为了突出SCL/Zn(OTF)₂电解液的优势，在0.2 mA cm⁻2-0.2 mAh cm⁻2的低电流密度下对其进行了测试，使用改性电解质的Zn//Cu电池达到99.61%的平均库伦效率，Zn//Zn对称电池在1 mA cm⁻2-1 mAh cm⁻2的低电流密度和30 mA cm⁻2-30 mAh cm⁻2的高电流密度高放电深度(DOD=73.3%)的条件下表现出4900小时和170小时的循环稳定性能。Zn//NH₄V₄O₁₀全电池在500 mA g⁻1电流下循环500次后仍保持90.7%。软包电池在在 1 A g⁻1 电流下循环580 次后任然保持保持 311 mAh g⁻1 的高放电容量, 显示了SCL/Zn(OTF)₂电解液的实际应用潜力。本工作通过吸附三氯蔗糖对锌离子在(002)表面迁移行为的调控，为分子水平上实现锌阳极优势织构提供了一种有前景的策略，并有望应用于其他稳定性和可逆性差的金属阳极。
图文导读
I SCL在锌表面的吸附行为及界面调控
SCL通过其丰富的羟基表现出强于水分子的锌表面吸附倾向，这种吸附能显著调控锌电极/电解质界面：它进入双电层内层并改变表面电荷分布(使zeta电位大幅升高)，减少水分子聚集，从而抑制副反应和锌腐蚀；同时，其较高的HOMO能级和与锌表面的电子云重叠证明了强电子相互作用，XPS检测到的特征氯峰进一步证实了表面吸附。最终，SCL分子通过占据水分子位点、优化双电层结构，实现了对锌沉积行为的有效调控和界面稳定性的提升。
图1. a H₂O和SCL分子在Zn (002)表面的吸附能。b 含有和不含SCL添加剂的锌粉Zeta电位。c SCL和H₂O的HOMO和LUMO能级。d 含有和不含SCL添加剂的Na₂SO₄溶液中锌的微分电容曲线。e Zn(OTF)₂与锌箔、SCL/Zn(OTF)₂与锌箔之间的接触角。f SCL/Zn(OTF)₂ 溶液中锌的 Cl 2p XPS 光谱。
II SCL 对电解质性质的影响
在电化学性能上，SCL的加入显著抑制了水的分解反应：线性扫描伏安法显示析氢反应起始电位负移，且析氢反应的吉布斯自由能垒升高，同时塔菲尔测试证实腐蚀电流降低、电位正移，表明HER和腐蚀均被有效抑制。其根本作用机制在于SCL分子重构了Zn2⁺的溶剂化结构，它部分替代水分子进入第一溶剂化鞘层，并通过FTIR和1H NMR证实其破坏了水的氢键网络、降低了水活性；分子动力学模拟进一步显示该重构显著降低了Zn2⁺的去溶剂化能垒(从34.8降至27.0 kJ·mol⁻1)，加速了界面动力学。因此，SCL通过同时调控体相电解质溶剂化结构和电极/电解质界面，实现了对副反应的抑制和锌沉积稳定性的提升。
图2. a Zn(OTF)₂和SCL/Zn(OTF)₂电解液中的LSV曲线。b SCL/Zn(OTF)₂电解液的MD模拟快照。c Zn(OTF)₂和SCL/Zn(OTF)₂电解液的FTIR光谱。d 不同电解液的1H NMR光谱。e 不同电解液的拉曼光谱。f Zn–O(H₂O)、g Zn–O(SCL)的径向分布函数(RDF)，来自 SCL/Zn(OTF)₂电解液的MD模拟。
III SCL 对锌沉积行为的影响
SCL添加剂通过多层次的协同作用有效引导了锌的均匀沉积并抑制枝晶生长：原位光学显微观察直接证明其在沉积过程中完全抑制了枝晶出现；XRD分析与SEM形貌表征表明，SCL能诱导锌优先沿(002)晶面水平取向生长，形成紧密堆积的六边形片层结构，且随着沉积进行，(002)晶面的相对织构系数持续升高。机理上，吸附能与迁移能计算揭示SCL选择性吸附于Zn(002)晶面，降低了该面的锌原子吸附能，同时使Zn2⁺在(002)面的迁移能低于其他晶面，从而引导Zn2⁺快速扩散并促进(002)晶面的暴露生长；此外，SCL通过提高成核过电位延缓成核过程，促进细密晶核形成。CLSM图像直观证实含SCL电解质中沉积锌表面更平滑均匀。
图3. a 在电流密度为30 mA cm⁻2 下，SCL/Zn(OTF)₂(左)和 Zn(OTF)₂(右)电解液中Zn沉积的原位光学显微观察。b 在30 mA cm⁻2 下，不同沉积时间下制备的Zn在 SCL/Zn(OTF)₂(左)和 Zn(OTF)₂(右)电解液体系中的XRD图谱。c SCL/Zn(OTF)₂和d Zn(OTF)₂电解液中30 mA cm⁻2 下Zn沉积的 SEM 图像。e SCL 吸附在Zn板上后，不同晶面上的Zn2⁺吸附能。
图4. a SCL吸附后Zn(100)上Zn2⁺迁移能，插图显示计算的迁移位置。b 在固定过电位−150 mV下不同电解液中的CA曲线。c SCL/Zn(OTF)₂电解液中沉积Zn电极表面的3D表面形貌，d Zn(OTF)₂电解液中在30 mA cm⁻2下的表面形貌。e 含有和不含有SCL添加剂的Zn镀层行为示意图。
IV 添加SCL添加剂电池的电化学性能
SCL添加剂显著提升了电池的综合电化学性能：在Zn//Zn对称电池中，电解质含SCL时循环寿命极大延长，在1 mA cm⁻2下可稳定运行4900小时，且在高电流(30 mA cm⁻2)、高面容量(40 mAh cm⁻2)及97.7%的高放电深度下仍能稳定工作；Zn//Cu电池在极低电流密度(0.2 mA cm⁻2)下仍表现出高达99.61%的库伦效率并稳定循环超过4000小时，证明了锌沉积/剥离的高度可逆性。在全电池测试中，使用SCL/Zn(OTF)₂电解质的Zn//NH₄V₄O₁₀电池在500 mA g⁻1下循环500次后容量保持率达90.7%，远优于空白电解质，且其组装的软包电池在1 A g⁻1下经过580次循环仍保持311 mAh g⁻1的可逆容量。这些结果共同证实，SCL通过抑制副反应、稳定界面和引导均匀沉积，全面增强了锌电池的循环稳定性、可逆性和实际应用潜力。
图5. a Zn//Zn电池在Zn(OTF)₂和SCL/Zn(OTF)₂电解液中以 1 mA cm⁻2、1 mAh cm⁻2 的恒流充放电循环。b Zn//Zn电池在Zn供应受限(DODZn=73.3%)的情况下，在SCL/Zn(OTF)₂电解液中以30 mA cm⁻2、30 mAh cm⁻2的恒流充放电循环。c Zn//Zn电池在Zn供应受限(DODZn=97%)的情况下，在SCL/Zn(OTF)₂电解液中以30 mA cm⁻2、40 mAh cm⁻2的恒流充放电循环。d 不同电解液下Zn//Cu半电池在0.2 mA cm⁻2、0.2 mAh cm⁻2下的库伦效率(CE)。e Zn//NH₄V₄O₁₀全电池在 500 mA g−1下的长期循环性能及相应的库伦效率。f NH₄V₄O₁₀//Zn软包电池在Zn(OTF)₂和SCL/Zn(OTF)₂电解液中以1 A g−1(质量负载=1.5 mg cm⁻2，N/P= 39.2，E/C= 33.5 μL mAh−1)时的电化学性能。
V 总结
本研究提出了一种电解质工程策略，以解决与枝晶生长和副产物生成相关的关键问题，旨在提高锌离子电池的长期稳定性。在电解质中引入三氯蔗糖后，所形成的三氯蔗糖吸附层覆盖在锌表面，使(002)晶面暴露，从而促进锌的横向沉积，并能有效抑制副反应。采用SCL/Zn(OTF)₂电解质，Zn//Zn对称电池在1 mA cm⁻2–1 mAh cm⁻2下可稳定运行4900小时，在30 mA cm⁻2–30 mAh cm⁻2下(DOD=73.3%)可稳定运行171小时。即使在超高DOD为97.7%(30 mA cm⁻2–40 mAh cm⁻2)的情况下，Zn//Zn对称电池仍可保持运行98小时。在非常低的电流密度0.2 mA cm⁻2和小面积容量0.2 mAh cm⁻2下，Zn//Cu半电池表现出高平均库仑效率99.61%及超过4000小时的长寿命，显示出三氯蔗糖赋予锌负极的高可逆性与稳定性。在SCL/Zn(OTF)₂电解质下，Zn//NH₄V₄O₁₀全电池在500 mA g−1下经过500个循环后仍能提供420 mAh g−1的比容量，并保持90.7%的容量。此外，以1 A g−1时，软包电池在580个循环中可保持311 mAh g−1的可逆容量。本研究提供了一种实用且高效的电解质添加剂，推动了可充锌离子电池(AZIBs)的实际发展。
作者简介
李兆乾
本文通讯作者
合肥理工学院 副研究员
▍主要研究领域
主要从事水系电池电解液研究。
▍主要研究成果
合肥理工学院新能源工程学院副研究员，2013年毕业于南京大学化学化工学院，获化学博士学位。2013-2016中国科学院合肥物质科学研究院博士后，2017年入选首批国家留学基金委“国际清洁能源拔类创新人才培养项目”，2017.09-2017.12瑞典麦拉达仑大学访问学者，2018.12-2020.05美国华盛顿大学材料科学与工程系博士后，2021.03-2025.07中国科学院合肥物质科学研究院固体所物理研究所副研究员。近年来，以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等杂志发表高水平论文40余篇，SCI总引用次数＞4000次，H因子35。
▍Email：zqli@hfit.edu.cn
吴玉程
本文通讯作者
合肥理工学院 教授
▍主要研究领域
能源材料、 功能纳米材料与金属基复合材料、有色金属材料与加工技术。
▍主要研究成果
合肥理工学院校长，合肥工业大学材料科学与工程学院教授，中国机械工业青年科技专家，享受国家有突出贡献特殊津贴专家。近年来，先后主持科技部国家重大研发计划项目、重大基础研究ITER重大专项，科技部国际科技合作项目、国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划培育项目、国家自然科学基金(面上、联合基金重点、国际合作项目重点)、国家重点新产品研究计划、国家留学回国人员启动基金、教育部科学技术研究重大项目、教育部高等学校博士学科点专项基金、安徽省科技攻关重大项目等30余项研究。先后在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mate.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Mater. Today、Appl. Phys. Lett.、《物理学报》、《金属学报》等国内外学术刊物发表论文300多篇；主编国家精品课程《工程材料基础》教材1部、《材料科学与工程导论》教材1部(高等教育出版社)，著有《面向核聚变应用的钨基材料制备与关键性能》(科学出版社)等11部著作，获得授权发明专利50余项，获得机械工业部教书育人特等奖1项、省级教学成果特等奖3项、教学成果奖一等奖1项，以及中国机械工业优秀青年科技奖、安徽省科技进步一等奖等。
▍Email：ycwu@hfut.edu.cn
胡林华
本文通讯作者
中国科学院合肥物质科学研究院固体所 研究员
▍主要研究领域
主要研究纳米结构材料及其在薄膜太阳电池和储能器件中的应用。
▍主要研究成果
现为中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员，博士生导师。2014年在瑞士洛桑联邦理工学院进行工作访问。现任中国可再生能源学会光伏专委员会委员；中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事和安徽省新能源协会理事；动力电池绿色制造安徽省重点实验室学委会委员。主持国家重点研发计划和“863计划”项目2项，主持国家基金青年、面上及国际合作项目5项。曾参加国家“973项目”和安徽省重大项目等。近几年在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., ACS Energy. Letts., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际期刊发表论文100余篇；在国内外学术会议上作邀请报告20余次；获授权发明专利6项；参与出版专著2部。曾荣获中国可再生能源学会科学技术二等奖。
▍Email：lhhu@rntek.cas.cn
陈磊
本文通讯作者
江苏科技大学 教授
▍主要研究领域
1、具有磁性和其它光、电等性质的多功能分子材料；2、基于MOFs的纳米复合材料的制备及其锂电性能研究。
▍主要研究成果
江苏科技大学环境与化学工程学院教授，硕士生导师，江苏省“六大人才高峰”，校“深蓝杰出人才”。先后主持国家自然科学基金、科技部外国专家项目、中国博士后基金等科研项目；指导学生获江苏省优秀硕士学位论文、江苏省优秀本科毕业论文、全国“互联网+”创新创业大赛银奖等；在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Sci.、Inorg. Chem.、Inorg. Chem. Front.等国际顶级期刊共发表SCI收录论文60余篇；授权日本发明专利1件、中国发明专利8件(转让7件)。
▍Email：chenlei@just.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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