近日，团队成员梁鑫成同学在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》发表题为“Synergistic modulation of hydrogen bond network reconstruction and pH buffering of electrolyte enables highly reversible Zn anode”的研究论文（DOI: 10.1016/j.cej.2024.152622）。

水系锌离子电池（ZIBs）具有理论比容量高（820 mAh g⁻¹）、氧化还原电位合适（−0.76 V_SHE）等特点，在大规模储能领域表现出广阔的应用前景。H₂O作为一种广泛使用的电解液溶剂，赋予ZIBs诸多优点，如电解液的不可燃性、高离子电导率和全电池的高功率密度等。然而，H₂O引发的问题（由H₂O分解引发的气体（H₂、O₂）的产生；较窄的电化学稳定性窗口；绝缘副产物的堆积及由此加剧的枝晶问题等），限制了锌金属直接作为ZIBs负极的应用。

本工作采用脯氨酸重构水系电解液氢键网络来缓解析氢（HER）问题，并作为缓冲剂稳定电解液pH值，解决副产物堆积问题。理论计算和实验结果表明，脯氨酸可以通过与水分子形成更强的氢键来打破水分子之间原有的氢键网络，限制H⁺沿氢键网络从电解液体相向电极表面的迁移速率，降低负极HER动力学；另一方面，脯氨酸作为两性分子，可以发挥pH缓冲作用来中和由HER产生的OH⁻，从而限制其与Zn²⁺和SO₄²⁻反应生成碱式硫酸锌副产物。因此，锌负极水致副反应问题得以显著抑制。Zn||Zn对称电池在1.0 mA cm⁻²，1.0 mAh cm⁻²和5.0 mA cm⁻²，5.0 mAh cm⁻²工况下的循环寿命分别达到5500和1050 h。Zn||VO₂全电池在5.0 A g⁻¹的电流密度下经过6600次循环，容量保持率为68.25%。

该研究成果以广西大学化学化工学院为第一通讯单位，尹诗斌教授为通讯作者，2021级硕士研究生梁鑫成为论文第一作者。该工作得到国家自然科学基金、广西自然科学基金重点项目、广西研究生创新项目和广西大学高性能计算平台的资助和支持。

图1.（a）脯氨酸分子模型；（b）水分子和（c）脯氨酸分子的表面静电势分布；不同电解液在（d）1500 ~ 1800 cm⁻¹和（e）3150 ~ 3400 cm⁻¹范围内的ATR-FTIR光谱;（f）2800 ~ 3800 cm⁻¹范围内不同电解液的Raman光谱；（g）NW、IW和MW在不同电解液中的比例演变;（h）3000 ~ 3800 cm⁻¹范围内不同电解液的拉曼光谱的分峰拟合；（i）不同电解液的¹H NMR谱;（j）不同电解液在0.5 mV s⁻¹扫速下的LSV曲线。

图2.（a）脯氨酸作为pH缓冲剂的化学机理；（b）脯氨酸稳定pH并抑制副产物生成的机理；（c）使用不同电解液的Zn||Zn对称电池12 h充放电循环过程的pH原位监测；（d）原位pH监测实验后Zn电极表面的XRD图谱；pH监测试验中（e）不含脯氨酸和（f）含脯氨酸的电解液的拉曼光谱的二维等高线图；（g）不同电解液的拉曼光谱中v(SO₄²⁻)强度的演变。

图3.（a）Ti电极在不同电解液中沉积剥离Zn²⁺的CV曲线;（b）Zn||Zn对称电池在−150 mV过电位下的CA曲线；原位光学显微镜观察Zn²⁺在（c）不含脯氨酸和（d）含0.50 M脯氨酸电解液中的沉积过程；Zn²⁺在（e）不含和（g）含0.50 M脯氨酸的电解液中沉积后的三维共聚焦显微镜图像；采用（f）不含脯氨酸和（h）含0.50 M脯氨酸的电解液的Zn||Zn对称电池在不同循环圈数时Zn负极的SEM图像。

图4.（a）1.0 mA cm⁻²，1.0 mAh cm⁻²条件下Zn||Zn对称电池的长循环性能；（b）Zn||Zn对称电池的倍率性能；Zn||Zn对称电池在（c）5.0 mA cm⁻²，5.0 mAh cm⁻²和（d）10 mA cm⁻²，5.0 mAh cm⁻²下的长循环性能；（e）与近期发表文献的性能对比；（f）Zn||Cu电池的库仑效率；（g）电解液中含有脯氨酸和（h）不含脯氨酸的库仑效率试验中，选定循环圈数的电压-比容量曲线。

图5.（a）Zn||VO₂扣式电池的CV曲线；（b）Zn||VO₂扣式电池的倍率性能以及（c）相应的电压-比容量曲线；（d）Zn||VO₂扣式电池的长循环性能；（e）Zn||VO₂软包电池示意图；（f）Zn||VO₂软包电池的长循环性能和（g）不同循环圈数的电压-比容量曲线；（h）Zn||VO₂软包电池的自放电试验；（i）由两个Zn||VO₂软包电池串联供电的“GXU”图案照片。