“请问您的长寿秘诀是什么？”“这要从洗衣粉说起……”
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说到电池，你第一时间能联想到哪种化学元素？
相信很多人会脱口而出：锂！
图片来源：Berkley
从电动汽车到手机电脑，锂离子电池凭借能量密度高、工作温度范围广等优势，如今占据商业化电池的大部分份额。然而强大的锂电池也面临着成本、安全等各方面问题，各大企业和科研院所一直在尝试全新的材料和设计方案，希望找到锂离子电池的替代品。
在这一背景下，一种新型的水系锌离子电池（AZIBs）进入了科学家的视野。凭借比容量高、安全性好等特点，这种全新的电池体系有望成为新一代的电化学储能系统。
锌离子电池近年来受到广泛关注
（图片来源：Energy&Environmental Science）
水系锌离子电池，更安全环保的选择
从名字中就可以看出，水系锌离子电池有两个关键词：一个是锌，一个是水系。
和其他电化学电池类似，水系锌离子电池通过锌离子在正负极之间的移动实现充放电。电池的负极是锌金属，正极是能够可逆嵌入锌离子(Zn2+)的材料。在电池内部，锌离子就像一名折返跑的运动员，在正极侧脱出/嵌入，在负极侧沉积/溶解。在外电路中，自由电子通过导线在电极间转移，最终完成能量的存储与释放。
水系锌离子电池的工作原理示意图
（图片来源：参考资料[2]）
水系锌离子电池的另一个特点是使用了水作为电解液的溶剂。可能有人会提出疑问：高中化学讲到原电池时，就是用含有硫酸铜和硫酸锌的水作为铜锌原电池的电解液，为什么水系锌离子电池会以“水”为特点呢？
其实，很多在生产生活中实际应用的电池需要使用有机溶剂作为电解液的主要部分。锂电池就是最典型的例子：锂金属与水不兼容，且锂电池充放电的电压对于水溶液电解质过高，所以传统锂电池采用有机化合物作为溶剂（如碳酸酯），并通过加入导电盐来提高溶剂的离子导电率。
锂电池一般使用锂盐溶于有机溶剂中作为电解质
（图片来源：Stanford University）
与传统锂电池相比，使用水基电解液的水系锌离子电池不仅降低了起火爆炸的风险，也减少了对环境的潜在威胁，同时制备过程不需要复杂的密封技术和无氧无水环境，在安全和环保两方面具有明显的优势。
在性能方面，水系锌离子电池的理论比容量可以达到820mAh/g，远高于目前商业化的铅酸电池（35mAh/g)和镍氢电池(70mAh/g)，且能量密度可以达到200Wh/kg，比铅酸电池高5倍以上，因此备受科学家瞩目。
水系锌离子的“长寿秘诀”
虽然水系锌离子电池因安全可靠、环境友好和成本低而备受关注，然而在商业化应用上仍然面临着诸多难题，其中一个严峻的挑战就是枝晶生长。
枝晶是以树枝状形式生长的晶体，它们就像冬天里尖锐的冰锥，不仅“攻击性”强，还可能刺穿电池的“心脏”，使得正负极直接连接，引发电池短路失效。
显微镜下的锂枝晶（图片来源：参考资料[4]）
锌离子电池的枝晶生长主要发生在锌负极上，电池充放电时间越久，形成枝晶的概率越大，极大地影响电池的性能。因此，控制枝晶生长是延长电池寿命的关键因素。
锌枝晶的生长机制（图片来源：参考资料[5]）
针对这一难题，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件制造研究部的胡林华研究员团队在近期取得了突破性进展。团队提出了一种全新的策略，可以极大地提升电池充放电可逆性和循环稳定性能。相关研究发表在国际期刊Energy Storage Materials上。
团队的策略是利用一种名为“最高占据分子轨道 (HOMO) 能级”的分子特性，来筛选出能够稳定锌负极用的非牺牲性阴离子型表面活性剂作为电解液添加剂。他们就像是在为电池寻找合适的“保护剂”，以此来抑制锌枝晶的生长。
不同分子的HOMO和LUMO能级
（图片来源：参考资料[1]）
结合理论计算和实验研究，他们发现使用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为添加剂能够满足“保护剂”的要求。这种化学物质是工业上广泛应用的清洁剂、乳化剂等，还是日常生活中洗衣粉、洗洁精的主要去污成分之一。
十二烷基苯磺酸钠的结构式
团队发现，具有高HOMO能级的十二烷基苯磺酸钠能够改变Zn2+溶剂化结构，并调节界面Zn2+扩散沉积，从而极大地抑制了锌枝晶和副反应的发生。在实验中，该添加剂的使用显著提升了电池的循环特性，稳定性（电池的循环次数）提升了30倍，平均库伦效率（锌沉积/剥离的可逆性）也达到了98.15%。
10mA cm−2下ZnSO4和SDBS/ZnSO4电解液中锌沉积的原位光学显微观察图，电解液加入SDBS抑制了枝晶生长（图片来源：参考资料[1]）
使用SBDS作为添加剂显著增加了电池的循环次数和库伦效率（图片来源：参考资料[1]）
简单来说，这项研究成果仿佛是找到了水系锌离子电池的“长寿秘方”，极大地延长了电池寿命、提高了电池性能，不仅为水系锌离子电池的发展开辟了新的道路，也为其他电池中金属负极的稳定化提供了新思路。
水系锌离子电池具有高安全性、高能量密度、低成本、环境友好等优势，是一种具有巨大前景的储能系统，未来有望在削峰填谷、风光电配储、飞行器电源等领域落地应用。然而除了枝晶生长之外，电池的商业化进程目前还受到正极材料容量衰减、电池能量密度低等问题困扰。在研究人员的努力攻关下，相信更加安全、高效、环保的可充放二次电池将会在我们的生活中大放异彩。
电池是储能系统的核心（图片来源：veer图库）
参考资料：
[1] Wei T, Ren Y, Zhang H, et al. Non-Sacrificial Anionic Surfactant with High HOMO Energy Level as a General Descriptor for Zinc Anode[J]. Energy Storage Materials, 2024: 103525.
[2] Lu Z, Wenfeng W, Hongming Z, et al. Research progress and challenge of aqueous zinc ion battery[J]. Acta Chimica Sinica, 2021, 79(2): 158.
[3] Valavanidis, Athanasios. (2019). Nobel Prize of Chemistry 2019 for Lithium-ion Batteries that Revolutionised Lives of Humankind. Power source for portable electronics, electric vehicles, and storage of energy from renewable sources. 1. 1-29.
[4] Chianelli R R. Microscopic studies of transition metal chalcogenides[J]. Journal of Crystal Growth, 1976, 34(2): 239-244.
[5] 孙旦,柳欣遇,陈娜,等.锌金属电镀过程中锌枝晶的生长行为及影响因素[J].大学化学,2023,38(04):68-77.
作者：韦婷婷作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所
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