水系锌离子电池（AZIBs）凭借高安全性、低成本及资源丰富等核心优势，已被视为最具应用前景的大规模储能体系之一。然而，锌负极侧的枝晶生长、析氢副反应以及固液界面处的浓差极化，严重制约了其在实用化条件下的长期循环稳定性。

  针对这一关键瓶颈，东华大学化学与化工学院焦玉聪/武培怡团队致力于通过固液界面分子调控来重塑电极界面环境，并在追求严苛实用化指标的过程中实现了研究的层层深入。团队首先聚焦于生物大分子的独特响应性，利用溶菌酶疏水诱导聚集效应以及构象转变（Adv. Mater. 2024, 36, 2314144），在锌表面原位成功构筑了亲锌疏水保护层并实现了对界面电双层（EDL）结构的精准调控，以此有效抑制界面副反应，在严苛的高放电深度（DOD）和低负极/正极容量比（N/P）条件下实现了均匀无枝晶的锌沉积。在此基础上，为了进一步在分子尺度上实现更本征的离子动力学调控，团队将研究深入到分子偶极矩设计，基于人体代谢产物氧化三甲胺（TMAO）的弱偶极效应设计了富锌离子界面保护层（Adv. Mater. 2025, 37, 2501004），通过促进锌离子富集并调控界面电场分布，有效缓解界面浓差极化，实现了贫电解液条件下锌负极的均匀沉积，从而赋予电池在低电解液/容量比（E/C）条件下优异的循环稳定性。这一系列工作由浅入深地证实了界面调控在攻克锌电池实用化瓶颈中的巨大潜力。

  然而，仅实现负极侧稳定仍不足以满足AZIBs长期循环运行的需求，全电池层面的稳定性还受到正极材料结构演化与界面失稳的共同制约。在众多正极材料中，钒基化合物因其开放的层状结构、多电子氧化还原特性以及较高的理论容量，被认为是最具应用潜力的水系锌离子电池正极体系之一。但其结构稳定性始终是制约实际应用的关键问题。在循环过程中，水合Zn²⁺较大的离子半径易引发晶格畸变和界面结构失稳，同时极性水分子会持续攻击末端金属-氧键，导致可溶性钒物种生成及活性材料流失，最终造成容量快速衰减与结构坍塌，严重限制了钒基正极的循环稳定性。针对上述问题，研究者已提出高浓度电解液以及人工界面层构筑等多种策略，但多数方法主要依赖物理阻隔作用，难以实现对钒基结构和界面的长期协同稳定。因此，开发兼具界面保护与晶格稳定功能的分子调控策略仍具有重要意义。

  近期，东华大学化学与化工学院焦玉聪研究员提出了一种基于仿生氢键网络的钒基正极稳定化新策略。该工作受蛋白质中肽键之间N-H···O=C氢键作用维持二级结构的启发，利用聚(N-丙烯酰胺甘氨酸酰胺)（PNAGA）构建聚合物集成电解质。PNAGA中的N-H基团能够与钒基正极中的V=O键形成稳定的N-H···O=V氢键网络，从而有效增强钒基结构稳定性，抑制钒溶解，并缓解Zn²⁺反复嵌入/脱出引起的结构退化。同时，PNAGA还能协同调控Zn²⁺溶剂化结构及界面化学环境，降低自由水活性，促进稳定电极/电解质界面层形成。得益于界面与结构的协同稳定作用，组装的Zn/Zn_0.25V₂O₅（ZVO）Ah级软包电池在循环50次后容量保持率达到96.3%，表现出优异的长循环稳定性。本研究为高稳定性水系锌离子电池钒基正极的仿生界面设计提供了新的思路。

  2026年6月16日，相关研究成果以“Harnessing N-H···O=V Bonding toward Stable Vanadium Cathodes in Ah-Level Zn-Ion Batteries”为题，发表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2026, e73731)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，冯豆豆博士、焦玉聪研究员和武培怡教授为论文共同通讯作者。

图1 电解质结构调控及CEI表征

  作者围绕PNAGA对电解液结构及正极界面的CEI形成进行了系统研究。结果表明，PNAGA中的N-H基团能够与钒基正极中的V=O键形成稳定的N-H···O=V氢键作用，有效增强钒氧骨架稳定性并抑制钒溶解。同时，PNAGA还能重构电解液氢键网络并调控Zn²⁺溶剂化结构，降低自由水活性，有效减少界面副反应。通过理论计算结合XPS、Raman及TOF-SIMS等表征进一步证实，PNAGA能够诱导稳定CEI层形成，为钒基正极提供稳定的界面化学环境。

图2 CEI调控界面的作用机制

  作者通过原位XRD、原位拉曼及原位EIS等表征手段，系统研究了PNAGA对钒基正极结构演化及CEI形成过程的调控机制。原位XRD结果表明，在循环过程中，PNAGA能够有效缓解Zn²⁺嵌入/脱出引发的晶格畸变，维持钒基结构稳定性；原位拉曼进一步证实，PNAGA与V=O之间形成的N-H···O=V氢键作用可有效稳定钒氧骨架并减缓V=O键破坏。同时，结合EXAFS、小波变换及紫外吸收测试发现，PNAGA能够显著抑制钒物种溶解，降低循环过程中结构退化。进一步通过原位EIS分析表明，PNAGA诱导形成的稳定CEI层有助于降低界面阻抗并促进Zn²⁺传输动力学，从而为钒基正极提供稳定的界面化学环境。

图3 ZVO正极在不同电解质中的动力学分析

  进一步结合电化学动力学分析系统研究了PNAGA对Zn²⁺传输行为及钒基正极反应动力学的调控作用。结果表明，PNAGA体系在不同扫描速率下均表现出更高的赝电容贡献，说明其能够有效促进界面电荷转移与快速反应动力学。同时，循环前后EIS测试显示，PNAGA能够维持较低的界面阻抗，表明其构建的稳定CEI层有助于提升界面稳定性。进一步结合GITT测试发现，PNAGA体系具有更高的Zn2?扩散系数，反映出更快的离子传输能力。理论计算结果进一步表明，PNAGA能够诱导界面电子重新分布并优化电子态结构，从而促进电荷传输并加快Zn2?存储反应动力学。

图4 SEI形成机制及电化学性能

  XPS深度剖析结果表明，PNAGA能够在锌负极表面诱导形成稳定的SEI层，有效调节界面化学组成。结合原位EIS及DRT分析发现，PNAGA体系具有更低的界面反应阻抗和更稳定的界面演化过程，说明其能够有效缓解副反应并稳定电极/电解质界面。基于PNAGA组装的Zn/Zn对称电池在1 mA cm^-2，1 mA h cm^-2运行寿命超过2000 h。Zn/Cu不对称电池也可稳定循环280次以上，进一步证明PNAGA可以有效缓解电极/电解质界面副反应，提高Zn/Zn²⁺循环可逆性，展现出高的实际应用潜力。

图5 全电池性能表征

  得益于PNAGA对钒基正极结构稳定性及Zn负极的协同调控作用，基于PNAGA组装的Zn/ZVO全电池即使在高电流密度条件下，电池仍能够保持稳定的充放电行为和较高容量输出。此外，组装的Zn/ZVO全电池可达到1.35 Ah的高容量，在循环50次之后，容量保持率可达到96.3%。

  该研究工作得到了国家自然科学基金以及上海市自然科学基金资助与支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73731