水分子调控实现稳定锌金属负极

水分子调控在实现稳定锌金属负极方面是一项重要的研究进展，这一策略对于提升锌离子电池（AZIBs）的性能具有重要意义。以下是对该领域的详细阐述：

一、锌金属负极的挑战

金属锌因其高理论比容量（820 mAh g-3）、低成本和良好的性质而被广泛应用于锌离子电池的负极。然而，锌金属负极在实际应用中面临诸多挑战：

锌的高度反应性：锌金属在水环境中具有高度反应性，其电化学行为不稳定，存在严重的锌腐蚀和负极副反应，这些不可避免地影响了电池的整体电化学性能。

不均匀的锌沉积和剥离：这一过程会导致电极/电解质界面的枝晶生长，枝晶可能会刺穿隔膜，导致电池短路故障。

二、水分子调控策略

为了解决上述问题，研究者们提出了通过水分子调控来实现稳定锌金属负极的策略。这一策略的核心在于通过特定的电解质设计，优化水分子在电解质-电极界面的行为。

电解质设计：通过配置环丁砜-水混合电解质，研究者们构建了一个稳定的氢键网络。这种电解质设计能够大幅降低凝固点、拓宽电化学窗口，并具有温和的酸碱性和高稳定性。

氢键网络重构：通过极性溶剂磺烷作为质子受体的调控，可以重建一个稳定的氢键网络。这种网络结构有助于优化电解质-电极界面，实现受限二维扩散和电场的均匀分布。

水分子调控：在Zn2+离子的溶剂化鞘中实现了水分子调控。通过减少溶剂化鞘层中的H2O分子数量，可以降低脱溶过程中活性H2O分子对Zn负极表面的腐蚀。

三、研究成果与验证

研究者们通过一系列实验和模拟验证了水分子调控策略：

分子动力学模拟：模拟结果表明，在环丁砜-水混合电解质中，H2O分子处于分散状态，(H2O)n的体积水被显著降低。环丁砜可以参与溶剂化壳，取代水分子，从而优化电解质-电极界面。

有限元分析：结合DFT计算，验证了电解质-电极界面的优化、受限二维扩散和电场的均匀分布。这些优化条件有助于实现锌的缓蚀和抗枝晶生长。

超稳定电镀/剥离：得益于水分子的调节，实现了超过9600h的超稳定电镀/剥离。这一结果表明，水分子调控策略能够显著提升锌金属负极的稳定性。

实际应用潜力：组装的多层自制模块化电池和高容量（1.32 Ah）的软包电池为实际锌金属全电池提供了可参考的模型。这些电池在实现大规模储能应用的集群构建中具有良好的应用潜力。

四、其他相关研究

除了上述研究外，还有其他研究者通过构建三维交联大分子网络界面层来实现超稳定锌金属负极。例如，中国科学技术大学陈立锋教授团队以成本低廉、生物相容性强且可降解的马铃薯淀粉为原料，在锌箔表面构建出具有Zn2+快速通道的三维交联大分子网络界面层。该界面层显著促进了Zn2+的去溶剂化过程，成功降低了副反应的发生，并实现了超稳定的锌金属负极。

水分子调控策略为实现稳定锌金属负极提供了一种方法。通过优化电解质设计、重建氢键网络和实现水分子调控等措施，可以显著提升锌金属负极的电化学性能和稳定性。这一策略对于推动锌离子电池技术的发展具有重要意义。