水系锌离子电池因其高理论容量、本征安全性、低成本及资源丰富等特性，被视为极具发展前景的规模化储能候选体系。然而，在电镀/剥离过程中，Zn²⁺在电解液中的迁移速率与在电极表面沉积速率的失配将引发界面浓差极化，从而扰乱电双层电场分布，不仅导致锌枝晶的不可控生长，还会加速界面副反应。该现象在贫电解液（低E/C比）情况下尤为突出，严重制约锌负极的循环稳定性及实际应用。两性离子材料虽可通过双电荷位点同步调控阴阳离子分布以增强界面稳定性并促进离子输运，但其固有高偶极矩易引发环境敏感性，难以在宽温域和低E/C比条件下维持保护层结构稳定。因此，通过筛选特定偶极矩分子，构建稳定的富锌离子人工界面保护层并深入研究其对锌负极的保护和沉积调控的机制，对于缓解界面浓差极化，实现高性能贫电解液锌离子电池具有重要意义。

  东华大学焦玉聪研究员前期围绕电解质及界面设计以优化锌离子电池储能性能领域进行了较深入研究并发表了一系列相关工作如Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202423326; Adv. Mater. 2024, 36, 2314144; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307271; Energy. Environ. Sci. 2023, 16, 4561-4571; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140等。

  近期，东华大学化学与化工学院武培怡/焦玉聪团队提出基于最小偶极矩两性离子氧化三甲胺（TMAO）的界面调控新策略。研究表明，TMAO通过弱偶极效应与锌离子配位形成TMAO-Zn络合物，在锌负极表面构筑稳定的富锌离子保护层，有效缓解锌负极/电解质界面浓度极化。同时，理论计算表明，TMAO-Zn的O原子具有更高的亲电进攻指数，表明其优先与内亥姆霍兹层（IHL）中的活性自由水形成更稳定的氢键网络，从而在贫电解液（低E/C比）的极端条件下有效抑制水诱导的副反应。结果表明，在15 μL mA h-1的贫电解液条件下，具有TMAO-Zn保护层的对称锌电池可稳定循环250 h以上。此外，组装的Zn/I₂软包电池在低E/C比（21.2 μL mA h^-1）下循环250次后容量保持率高达98.3%。本研究为推动贫电解质锌电池的实际应用提供了新的思路。

图1 分子偶极矩及其结构表征

  作者选择了一系列具有相同官能团，不同碳链长度的两性离子及不带电分子，利用密度泛函理论（DFT）研究了不同偶极矩分子的结构稳定性、氢键与活性自由水的相互作用、以及与Zn²⁺的相互作用之间的关系。结果表明，TMAO拥有最小的偶极矩，具有优异的结构稳定性，可以与活性自由水形成更稳定的氢键，更稳定地捕获锌表面IHL中的活性游离水，从而抑制HER的产生。同时，在与锌离子形成配位络合物后，依旧保持与TMAO一致的优异性能。

图2 Zn²⁺沉积及耐Zn腐蚀性能表征

  作者通过原位光学显微镜和原位拉曼测试直观验证了TMAO-Zn在锌沉积过程中对副反应的抑制行为。利用原位电化学气相色谱（EC-GC）及静态腐蚀，量化电化学沉积过程中析氢及腐蚀速率，证明TMAO-Zn可以有效减少副反应，引导锌离子均匀沉积。同时，采用电化学石英微天平（EQCM）结合循环伏安法（CV）进一步表征锌金属上TMAO-Zn保护层的动态特性，实时监测镀锌和剥离过程中不同电位下工作电极上的质量变化，进一步证明富锌离子界面可以增强反应的可逆性。

图3 Zn/Zn²⁺可逆性表征

  基于TMAO-Zn组装的Zn/Zn对称电池在3 mA cm^-2，3 mA h cm^-2运行寿命超过1200 h。在E/C比低至15 μL mA h^-1时，Zn/Zn对称电池在1 mA cm^-2，1 mA h cm^-2运行寿命超过250 h，Zn/Cu不对称电池也可稳定循环100次以上，进一步证明TMAO-Zn可以有效缓解电极/电解质界面处浓差极化，提高Zn/Zn²⁺循环可逆性，展现出高的实际应用潜力。

图4 全电池性能表征

  得益于TMAO-Zn良好的缓解浓差极化及抑制副反应的能力，基于TMAO-Zn组装的Zn/I₂，Zn/MnO₂全电池和Zn/AC电容器展现出稳定的循环寿命。组装的Zn/I₂电池即使在低E/C比及高温下仍然表现出优异的循环性能，进一步证实TMAO-Zn的实际应用潜力。

  以上研究成果近期以“Weak Dipole Effect Customized Zinc Ion-Rich Protective Layer for Lean-Electrolyte Zinc Metal Batteries”为题，发表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2025, 2501004)上。东华大学化学与化工学院博士研究生潘怡帆为文章第一作者，焦玉聪研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

  该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金及上海市自然科学基金的资助与支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202501004