水系锌基电池（AZBs）因其高安全性和低成本而成为电网规模储能系统的有希望的候选者，但因不受控制的Zn枝晶生长和副反应，Zn负极的电化学稳定性有限，这仍是实现高性能AZBs的重大挑战。基于此，香港城市大学楼雄文教授、浙江师范大学胡勇教授和王宏飞讲师（共同通讯作者）等人报道了一种三功能电解液的谷氨酰亚胺（Glu）添加剂，加入到传统的Zn(ClO4)2电解液中，可以同时延长Zn负极的寿命并提高有机中极的氧化还原活性。
Glu的结构包含一个六元氮杂环，环上的氮原子连着两个羰基，增强了分子极性。因此，Glu发挥了多重作用：（1）含有极性官能团（-NH和-C=O）的亚酰亚胺诱导电子分布不均匀，重构氢键（HB）网络和EDL结构，促进脱溶过程，抑制析氢；（2）Glu优先吸附在Zn负极表面，并与Zn(ClO4)2协同形成稳定的固态电解质界面（SEI）层，有效抑制寄生反应；（3）Glu的加入可以增强传质动力学，减轻阳极/电解质界面的离子耗尽，确保无枝晶Zn沉积；（4）Glu作为电荷再分配器，使Zn2+离子和ClO4−离子之间的相互作用解耦，促进阴离子参与质子化步骤，增强了PANI正极的氧化还原活性。
在Glu添加剂辅助下，Zn//Zn对称电池实现了无枝晶沉积/剥离循环，对比裸Zn(ClO4)2电解液，循环寿命提高了约10倍（在1 mA cm-2/1 mAh cm-2下超过2000小时），即使在高放电深度（DOD，15 mA cm-2/15 mAh cm-2）下也能稳定运行85.2%。在，Zn//Cu不对称电池中，1200次循环的平均库仑效率（CE）为99.4%。此外，在0.1 A g-1条件下，锌-有机电池（Zn//PANI）的比容量提高到131.0 mAh g-1，在1000次循环后容量保持率达到91.0%。
相关工作以《Ion-dipole interaction manipulated bilateral interface chemistry for deep rechargeability and high redox activity of Zn-organic batteries》为题发表在2025年2月13日的《Chem》上。
图文解读静电电位（ESP）分布显示，Glu的C=O区和N-H区分别表现出电负性和电正性，赋予其独特的吸电子/给电子能力。在纯Zn(ClO4)2电解液中，大部分初级溶剂化壳（PSS）由5个H2O分子和1个ClO4-阴离子组成。一旦加入Glu，它将成功穿透PSS结构，从而降低溶剂化结构中的含水量。Zn2+-O（Glu）的峰CN为0.16，证实了Glu可以调节溶剂化壳。结果表明，Glu添加剂分子增强了对H2O分子间HBs的干扰，成功形成了以Glu为主的溶剂化结构。O-H信号的变化表明，由于HB系统的重构，修饰的电解液体系中H2O分子有效结合Glu扰乱了原有的HB网络，削弱了H2O-H2O的相互作用，降低了强HB的比例。因此，HB的重构有利于减少Zn沉积过程中溶解过程中产生的活性水分子，抑制HER等副反应。
图1.含和不含Glu电解液的模拟和表征
图2.含和不含Glu电解液质的DFT计算和表征
使用原始的1.5 M Zn(ClO4)2电解液的Zn//Zn电池在电流密度为1 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2下，仅能稳定工作278 h。在加入1 M Glu后，电池的循环寿命显著延长至2000 h，几乎是前者的10倍。在10和5 mAh cm-2时，Glu的电池寿命更长（670 h vs. 43 h）。在15 mA cm-2下，其DOD高达85.2% (15 mAh cm-2)，循环寿命达到138 h。
使用Glu的电池可稳定运行超过420 h，而使用原始电解液的电池只能工作不到80 h。当电流密度从1增加到8 mA cm-2，再降低到1 mA cm-2时，带有Glu的对称电池呈现出稳定的电压滞后曲线，表明其倍率能力增强。使用Zn(ClO4)2/Glu电解液的电池在10 mA cm-2下产生6.7 Ah cm-2的超高累积容量值，远远超过大多数报道的性能。
图3.有无Glu电解液中Zn负极的电化学性能
图4.循环Zn的形态和结构特征
含Glu电解液的电池比容量（131.0 mAh g-1），高于0.1 A g-1纯Zn(ClO4)2电解液的电池比容量（121.8 mAh g-1）。Glu添加剂使电池的倍率性能得到提高，当电流密度增加10倍时，电池容量保持率可以达到74.1%的合理值。电池在1 A g-1条件下可保持104.5 mAh g-1的高容量，在1000次循环后容量保持率为91.0%，优于在1.5 M Zn(ClO4)2电解液中的电池（72.4%）。当放电至0.3 V时，对照样品的容量保留率仅为64.2%，而添加Glu的Zn//PANI电池的容量保留率高达92.8%。结果表明，对比无添加剂的正极，Glu辅助的聚苯胺阴极具有更高的氧化还原活性。
PANI正极的转化机理：首先，从PANI链上解吸H+/Zn2+，诱导生成-NH+-和-NH+=；然后，吸附游离的ClO4-离子平衡电荷，便于进一步氧化。关键是，-NH+-和-NH+=的半氧化组分通过静电相互作用被ClO4-离子稳定，提高了PANI正极的放电平台，增强了反应动力学，从而提高了质子化/去质子化稳定性。因此，Glu调节了溶剂化结构，削弱了电解质中Zn2+离子与ClO4-离子的相互作用，促进阴离子参与PANI的氧化还原反应，增强了氧化还原活性。
图5.研究副反应及Zn沉积工艺
图6. Zn//PANI电池的电化学性能及机理分析
文献信息Ion-dipole interaction manipulated bilateral interface chemistry for deep rechargeability and high redox activity of Zn-organic batteries. Chem, 2025, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102411.
