【背景】
随着对生态友好和可持续储能系统的需求不断增长，水基锌离子电池由于其固有的安全性、低成本和高理论容量而被认为是最有希望的候选者之一。然而，锌电极的枝晶生长和腐蚀严重阻碍了其应用。因此， 合理的界面改性势在必行。
【工作介绍】
针对此，近日， 中南大学周江教授、陈根特聘副教授团队 报道了自组装多层结构作为缓冲夹层实现长寿命的水系锌离子电池的研究成果。作者提出了分子尺度的缓冲层来修改界面微环境，以指导长寿命电池。通过自组装的L-半胱氨酸多层，实现了无枝晶的沉积，并抑制了水介导的寄生副反应。该研究展示了一种通过自组装技术解决电解质和阳极之间界面问题的简便策略，这促使自下而上地构建锌离子电池的功能夹层。所设计的SAM-Zn阳极减轻了浓度极化并抑制了枝晶Zn的生长。这项研究将自组装多层膜（SAM）的成熟方法扩展到一个平台，用于设计面向功能的界面，使AZIBs具有非凡的寿命。
【要点】
一、 本工作从氨基酸对锌的优越亲和力及其成本效益和环境可持续性中获得灵感，筛选出广泛使用的L-半胱氨酸（L-cys）作为构建自组装多层（SAM）的分子构建模块。具有极性基团的SAM-Zn具有很强的偶极矩，并具有共轭的空间拓扑结构。
二、分子多层结构调节双电层（EDL）结构，以加速电极动力学并释放界面处的浓度极化，而疏水性抑制水介导的寄生副反应的发生。
三、此外，多层结构充当缓冲域，其可以响应于环境条件而重新配置，触发动态补充界面以面对电极形态的变化（图1c）。由于分子功能结构的精确设计和优异的稳定性能，无枝晶锌阳极在5 mA cm-2下实现了超过1370小时的循环稳定性。此外，ZnNH4V4O10软包电池的初始容量为211.2mAh g-1，在2A g-1下循环200次后，容量保持率为82.0%。
SAM的物理化学特性
图1. a）非集成式，b）原位柔性，以及c）电极-电解质界面的SAM的示意图。
图2. SAM-Zn的表征。
SAM-Zn的抗腐蚀和电化学性能
图3. SAM-Zn的抗腐蚀和电化学性能。
关于金属锌沉积过程中SAM的作用的原位显微镜和物理化学研究
图4. a) 在10 mA cm-2下，裸Zn和SAM-Zn的原位光学显微镜图像；b) 裸Zn和SAM-Zn的电位对电流密度的曲线；c) 裸Zn和SAM-Zn的EDL电容。d) 裸锌和e) SAM-锌的EDL结构示意图。f) 裸锌和g) SAM-锌的锌沉积电场示意图。
SAM-Zn电极与NH4V4O10电极结合的电化学特性分析
图5. SAM和与NH4V4O10阴极配对的全电池的电化学性能示意图。
【结论】
总之，我们设计了亲锌和疏水的自组装多层膜（SAM）作为解决锌金属电极界面不稳定性的有效保护方法。
多层结构是通过-NH2和-COO基团与化学吸附单层的相互作用构建的。得益于与膜内分子尺度极化相关的新偶极动力学趋势，致密层中锌离子的浓度增加，电荷转移动力学加速。此外，拓扑结构提供了足够的沉积空间，进一步实现了面积诱导沉积效应，有助于形成致密有序的锌沉积形貌。分子多层作为缓冲层，以减轻长期循环过程中由电极形态变化引起的缺陷，提供超过6.85Ah cm-2的极高的CPC。与NH4V4O10阴极耦合的软包电池表现出优异的电化学稳定性，证明了这种策略对于实际可充电AZIBs的可行性。这项工作提供了一种简便而有效的方法，将功能导向界面的自下而上结构扩展到长寿命的水性锌电池。
D. Li, Y. Tang, S. Liang, B. Lu, G. Chen and J. Zhou, Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE01098H.
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