水系锌离子电池(AZIBs)因其高安全性、低成本、环境友好以及锌资源丰富等优势，被视为大规模储能领域的理想候选体系。然而，其实际应用受限于锌负极的不稳定性，包括析氢反应(HER)导致的界面腐蚀、锌枝晶生长以及副产物积累等问题。这些问题主要源于水分子在Zn2+溶剂化鞘层中的高活性及其在负极界面的还原分解。为解决上述挑战，电解液工程尤其是功能性添加剂的引入已成为调控界面化学、抑制副反应的有效策略。传统添加剂多通过静态调控氢键或束缚水分子来抑制HER，但难以同时实现溶剂化结构重构、界面保护和长期循环稳定性。因此，开发能够协同调控脱溶剂化过程、抑制副反应并维持锌负极稳定性的多功能添加剂，对于推动AZIBs实用化具有重要意义。
近日，星空XK花秀夫教授团队联合中国科学院过程工程研究所朱庆山教授、张会刚教授团队成功开发了三乙烯四胺六乙酸(TTHA)作为多功能电解液添加剂，通过协同调控氢键动力学和界面结构，显著提升了水系锌离子电池的循环稳定性和电化学性能。TTHA通过竞争配位机制部分取代Zn2+溶剂化鞘层中的水分子，重构氢键网络并抑制析氢反应；同时优先吸附于Zn(002)晶面，诱导均匀致密的锌沉积。此外，TTHA构建的缓冲界面有效抑制了局部碱化和副产物生成。该策略实现了对称电池超6000小时的稳定循环和全电池的高容量保持率，为设计高性能AZIBs提供了重要的理论指导和实践方案。
该研究提出了一种低成本且多功能的电解液添加剂——三乙烯四胺六乙酸(TTHA)，用于调控锌离子溶剂化结构和界面沉积行为。原位/非原位表征结合理论模拟揭示，TTHA部分取代Zn2+溶剂化鞘层中的配位水分子，抑制水活性并缓解析氢反应。
图1 | 示意图展示ZnSO4与ZnSO4+TTHA电解液中锌沉积行为差异，阐明HER抑制、氢键网络重构及Zn(002)晶面择优生长机制
研究发现在纯电解液中，水分子主导的溶剂化结构导致严重的析氢反应和枝晶生长；而TTHA的引入通过重构氢键网络、部分取代溶剂化鞘层中的水分子，并优先吸附在Zn(002)晶面，实现了均匀的锌沉积和副反应抑制。
图2 | 氢键网络重构与Zn2+溶剂化结构的多尺度表征，结合光谱学、理论计算与分子动力学模拟
拉曼光谱和FTIR证实了氢键网络的弱化；1H NMR显示水分子配位环境变化；DFT计算表明TTHA具有更高的HOMO能级和更强的Zn2+结合能；MD模拟直观展示TTHA渗透并重构溶剂化鞘层；氢键自相关函数分析揭示长寿命氢键比例降低；EXAFS光谱直接证实TTHA参与Zn2+第一配位壳层，取代部分配位水分子。展示了TTHA对电解液微观结构的调控机制。
图3 | TTHA多功能性验证：抑制析氢反应与调控锌晶体生长取向的电化学及理论研究
LSV曲线和GC产气分析定量证明HER被显著抑制；成核测试和计时电流法表明TTHA提高成核过电位并促进三维均匀生长；XRD分析显示循环过程中Zn(002)晶面取向度持续增强；DFT计算揭示TTHA在Zn(002)晶面具有更强的吸附能，优先占据该晶面引导横向致密沉积。通过系列电化学测试和理论计算验证TTHA的多功能性。
图4 | 锌沉积过程的原位/非原位多维度表征，实时监测形貌与结构演变
原位XRD追踪循环过程中的晶面演化；SEM浸泡实验观察不同时间尺度下的表面形貌变化；原位拉曼光谱监测界面化学环境；CLSM和光学显微镜实时捕捉沉积过程的二维/三维形貌演变；高分辨SEM揭示最终沉积层的微观结构，证实TTHA诱导形成致密无枝晶的锌沉积层。通过多种原位和非原位技术直观展示锌沉积行为。
图5 | Zn||Zn对称电池的电化学性能评估，涵盖宽电流密度范围内的长循环稳定性与界面化学稳定性
pH监测显示TTHA有效缓冲界面碱性；倍率性能测试表明优异的倍率能力；库仑效率测试证实高可逆性；循环数据显示在1mA·cm-2下超6000小时稳定运行，在5mA·cm-2下超4000小时，即使在50和100mA·cm-2的极端条件下仍能分别稳定运行500和200小时以上，显著优于纯ZnSO4电解液。全面评估了对称电池性能。
图6 | Zn||V2O5全电池电化学性能与实用化展示，验证添加剂在实际器件中的有效性
CV曲线显示TTHA不改变反应机理但改善可逆性；自放电测试表明库仑效率从72.70%提升至92.57%；倍率性能显示在0.1–5A·g-1宽范围内稳定输出；长循环测试证实1A·g-1下1000次循环后容量保持率达89.2%，2A·g-1下仍保持优异稳定性；软包电池成功点亮LED器件，证明该策略的实用潜力。展示了全电池性能验证。
该成果以"Synergistic Regulation of Hydrogen-Bond Dynamics and Interfacial Structure by Engineering Additives Toward Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries"为题发表在Advanced Functional Materials期刊，星空XK化工学院低碳技术应用研究院为第一研究单位。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76141
星空XK低碳技术应用研究院是由星空XK牵头，联合陕西氢能产业发展有限公司等核心伙伴重组建设的虚体研究机构。研究院聚焦国家“双碳”战略，以“氢能全链条技术—零碳场景应用—智慧双碳管理”为主线，致力于低碳技术的研发、转化与产业推广。研究院依托国家重点研发计划、工信部揭榜挂帅等重大项目，在绿氢制备、固态储氢、废气治理数字化升级、零碳园区能源系统集成等领域形成了鲜明特色。团队现有教授、高工等固定研究人员20余人，并聘任清华大学、中科院过程所等知名专家组成学术委员会。研究院设有专项研发基金及校企联合实验室，着力打通“基础研究—中试放大—产业落地”的创新链条，为区域能源转型与双碳目标提供系统解决方案。
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