【研究背景】

目前我国在生态环境标准与污染防治方面实施多项重要政策，在2024年的《生态环境信息化标准体系指南》则是为了贯彻《中华人民共和国环境保护法》，进一步完善生态环境信息化标准体系。当下，锂离子电池持续发展，对生态环境危害严重，与此同时，水系锌离子电池以其安全、高能量密度、价格低廉和可扩展性等优点而得到越来越多的发展。然而，锌阳极也遇到了明显的障碍，包括破坏性的副反应、不受控制的枝晶生长和持续的析氢。这些挑战阻碍了AZIBS技术在实际应用中的广泛采用。

【成功展示】

张彤老师课题组开发了一种基于阿斯巴甜的电解液（ASPT-ZS），并将其应用于AZIBs中。研究结果表明，ASPT-ZS能够有效抑制锌阳极的枝晶生长和析氢反应，显著提高了电池的循环寿命和库仑效率。该研究成果发表于国际著名期刊《Journal of Alloys and Compounds》，题目为“Eco-friendly multi-function electrolyte additive enabling dendrite-free Zn anodes for rechargeable aqueous zinc batteries”。

【内容详情】

图1 阿斯巴甜的相关机理与性质

当前水系锌离子电池研究领域所面临着众多挑战，而电解液改性是提高锌阳极可逆性和减少不良反应的最经济和可靠的方法。为锌的管道离子要在AZIBs中的阴极和阳极之间移动，电解液是必不可少的。它的化学形态和组成对水合锌离子的溶剂化结构有重要影响。对此，张彤老师课题组提出一种将阿斯巴甜(ASPT)加入到水电解液中，在阳极和电解质之间建立了一种新的界面， 改善了空间位阻效应，并调整了Zn 的溶剂化结构。 理论计算说明了ASPT添加剂是如何与电解质和锌阳极相互作用的。实验结果进一步验证了ASPT在同时管理电解质环境与锌界面之间的化学过程中的作用。

图2 阿斯巴甜的相关测试

图2向我们展示ASPT电解液添加剂在电池循环中体现出其抑制析氢反应、增强电池循环寿命的能力。对此，我们可以通过SEM测试图直观得到，我们将锌片浸泡在有/无 ASPT电解液添加剂中，ASPT-ZS能明显抑制锌离子电池阳极表面副反应大大减少、促进三维扩散的形成，减少尖端效应。同时，我们对比在不同浓度的ASPT添加剂对锌离子电池循环寿命的影响，如上图所示，ASPT-ZS改性电解液对比传统ZnSO₄电解液的锌离子电池，而改性电解液能够持续保持超过3500h的稳定循环，大大增加了其循环寿命。

  图3 电化学测试以及循环后的负极表征测试

不仅如此，ASPT添加剂能有效抑制与HER和OER相关的副反应，并防止镀锌和脱锌过程中副产物的积累。我们通过对电化学窗口、Tafel图以及CA测试，体现出ASPT-ZS改性电解液，通过溶剂化的结构改性和在电极/电解质界面上形成ASPT吸附层的联合效应，在界面上形成保护层，促进锌离子均匀沉积。

同时我们还评估了ASPT对锌镀层和剥离行为可逆性的影响。从自主装Zn//Ti电池循环过程中可以看出其经历了显著的波动，CE值较低，为96.1 %，在1 mA cm⁻²，循环能力为1 mAh cm⁻²，60个循环后失败，主要是由于树突形成和副反应。相比之下，使用ASPT-ZS改性电解液的电池在300次循环中表现出稳定的循环，其CE值高达 ~98.5 %。

此外，我们对循环后的锌离子电池进行了SEM测试和XRD测试，分析研究不同电解液中Zn腐蚀、Zn沉积行为。如图3g和3i所示，在传统硫酸锌电解液中循环的锌箔表现出巨大的、尖尖的片状树突和高度粗糙的表面。相比之下，在ASPT-ZS改性电解液中循环的锌箔显示出相对平坦的表面，显示出厚排列，水平排列的锌片(图3h和3j)。这种差异是因为ASPT很容易吸附在锌表面，促进了均匀的成核位点，并有效地抑制了锌树突的生长。

在XRD测试分析下，ASPT-ZS 电解液中 Zn 沉积的 I（002）/ I（101）比率（1.28）明显高于纯 ZnSO₄电解液（0.59）。这种差异支持了我们的理论预测，表明ASPT在锌表面的吸附会影响 Zn 沉积的首选方向，并促进均匀的水平排列。

图4 全电池性能测试

最后，作者组装Zn//MnO₂全电池进行电化学测试，证实了ASPT电解液添加剂在AZIBs中的可靠性和实用性。通过对全电池进行电化学测试，表现出高容量保持率和稳定的循环性能。

【结论】

本研究开发了一种基于阿斯巴甜的电解液添加剂，为构建无枝晶锌阳极提供了新的思路，为开发高性能水系锌离子电池开辟了新的途径。该研究成果有望推动AZIBs的商业化进程，并为其他电池技术的发展提供参考。

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审定：凌磊    责编：赵慕晨 + 投诉举报