［本站讯］近日，化学与化工学院张进涛教授课题组设计了一种具有共轭结构大体积阴离子的锌盐—对羟基苯磺酸锌和四丁基对甲苯磺酸铵添加剂分子调节锌离子配位微环境。该阴离子参与水分子氢键网络构筑，降低水合锌离子活性水分子数目，提高电极-电解液界面稳定性；四丁基铵阳离子优先吸附于锌电极表面突起的位置，因此能够起到抑制枝晶生长和副反应发生的作用。其成果以题为“Coordination modulation of hydrated zinc ions to enhance redox reversibility of zinc batteries”在国际期刊Nature Communications上发表。文章通讯作者为张进涛教授，第一作者为博士研究生陈松，通讯单位为山东大学。

图1. （a）SO₄^2-和PS^-静电势图。（b）1 M Zn(PS)₂分子动力学模拟电解液结构图。（c）Zn-O_w和Zn-O_anion径向分布函数和配位数。（d）Zn(H₂O)₅(SO₄)和Zn(H₂O)₅(PS)⁺脱溶剂化能。（e）分子动力学模拟电解液中的氢键数目。（f）1 M ZnSO₄和1 M Zn(PS)₂DSC测试。（g）H₂O中的¹H化学位移

该工作提出了通过锌离子溶剂化结构和界面调控的策略增强锌基电池的氧化还原可逆性。对羟基苯磺酸根阴离子拥有比硫酸根阴离子更正的静电势，电荷分布更为均匀，其与其他离子/分子具有更小的结合强度，对应于较低的脱溶剂化能。分子动力学模拟表明，锌离子与配位对羟基苯磺酸根阴离子中氧的距离为1.82Å，小于硫酸根中氧的距离（1.78Å），计算可知Zn(H₂O)₅(SO₄)和Zn(H₂O)₅(PS)⁺脱溶剂化能分别为719.4和492.2 kcal mol^-1，进一步证明了锌离子在对羟基苯磺酸锌电解液中拥有更快的反应动力学。同时，对羟基苯磺酸根阴离子与水分子形成更多的氢键，有效稳定了水分子，抑制析氢反应的发生。

图2.（a）PANI-Zn电池CV曲线。（b）倍率性能。（c）电压-容量曲线。（d）长循环稳定性。（e）PANI-Zn电池在1 M Zn(PS)₂+0.2 TBATS电解液原位拉曼测试。（f）软包电池示意图。（g）两节串联软包电池点亮40个LED灯。（h）软包电池循环稳定性

作者用聚苯胺作正极，组装了PANI-Zn全电池。相比于硫酸锌电解液，对羟基苯磺酸锌电解液组装的锌离子电池展现出更小的电压极化和优越的倍率性能。在5 A g^-1的电流密度下可以稳定循环10000圈，容量保持率为82%。原位拉曼测试表明，伴随着H⁺/Zn²⁺可逆的在聚苯胺链上吸脱附，苯环结构和醌环结构分别在放电状态和充电状态可逆转化。表明其优越的稳定性。这项工作展示了配位化学在调节界面电化学过程中的应用前景，为设计先进电解液，实现高性能锌基电池提供了有效指导。

该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金的支持，山东大学结构成分与物性测量平台为本工作的顺利开展提供了关键的测试服务。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39237-3