近年来，水系锌离子电池作为能源储存系统的可行替代方案引起了广泛关注。与传统的锂基和钠基可充电电池不同，锌离子电池采用无毒的水系电解质和丰富的锌金属，突显出其在安全性、环境保护和可持续性方面的优势，特别适用于医学与生物体内的应用。此外，锌金属负极具有较高的理论容量和相对较低的电极电位，可以给全电池提供较高的能量密度与工作电压窗口。然而，尽管具有上述优越特性，锌离子电池的广泛应用面临显著挑战。首先是锌负极在充放电过程中形成的枝晶，极易导致电池短路和失效。同时，锌负极容易腐蚀并生成副产物（如Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O）。这些非活性副产物积聚在锌负极表面，阻碍Zn²⁺离子的传输，严重加剧表面钝化并降低电池的循环稳定性。

本工作探讨了将BSA蛋白质作为电解质添加剂，通过自组装过程在锌金属负极上构建界面层，以实现无枝晶的锌金属负极。BSA分子在锌负极上形成复杂的双层结构，具有亲水外层和疏水内层，这对于优化锌离子的迁移和脱溶过程至关重要。亲水外层有效降低了界面水分子的活性，而疏水内层阻止了溶剂化水分子的侵入，促进[Zn(H₂O)₆]²⁺的脱溶，减少了水分子与锌负极的直接接触。这一独特机制有效抑制了锌枝晶的形成，并显著减少了副产物的生成。通过Cryo-EM和XPS蚀刻技术，成功观察并确认了锌金属负极上BSA双层的存在及其详细成分。此外，AIMD模拟和DFT计算证实，BSA可以通过改变电解质的溶剂化结构来增强锌离子的脱溶过程，从而通过引导锌离子在Zn（002）平面上的沉积来提高沉积效率。电化学表征结果突出了BSA双层在增强Zn||Zn对称电池、Zn||Cu半电池和Zn||V₂O₅全电池循环稳定性方面的重要作用。值得注意的是，Zn||Zn电池在10 mA cm⁻²电流密度和1 mAh cm⁻²容量限制下表现出2400小时的稳定循环性能。此外，Zn||V₂O₅电池在5 A g⁻¹的高电流密度下经过4800次循环后仍保持95 mAh g⁻¹的高比容量。本研究为开发安全、无枝晶、高能量密度的锌金属负极用于锌离子电池开辟了新途径。

近日，扬州大学王天奕副教授、庞欢教授、王赪胤教授联合澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授，孙兵博士等学者在Angew. Chem. Int. Ed.（影响因子16.6，中国科学院化学类一区期刊）合作发表题为“Multifunctional Self-Assembled Bio-Interfacial Layers for High-Performance Zinc Metal Anode”的研究型论文，本院博士研究生卢嘉慧为本文第一作者。该工作利用牛血清白蛋白（BSA）在锌金属负极上的自组装双层结构，显著提高了水系锌离子电池的性能，展示了自组装蛋白双层结构在改善水系锌离子电池中锌负极耐久性方面的重要作用。

Article information:

Jiahui Lu, Tianyi Wang*, Jian Yang, Xin Shen, Huan Pang, Bing Sun*, Guoxiu Wang*, Chengyin Wang*, Multifunctional Self-Assembled Bio-Interfacial Layers for HighPerformance Zinc Metal Anodes. Angewandte Chemie International Edition, 2024, e202409838 (DOI: 10.1002/anie.202409838)

论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202409838