多功能离子液体添加剂通过双向界面工程实现了超稳定的水基锌-有机电池

《Journal of Energy Chemistry》：Multifunctional ionic liquid additive enabled ultrastable aqueous zinc-organic batteries with bidirectional interfacial engineering

双向界面工程通过离子液体添加剂BDMIMCl同时稳定锌阳极和聚苯胺阴极，形成保护层并重构溶剂化壳，显著提升水系锌有机电池循环稳定性。

　　
锌基水系有机电池（AZOBs）作为新型储能技术的重要方向，近年来在电化学领域受到广泛关注。本文团队针对当前AZOBs商业化面临的核心挑战——电极界面协同稳定性不足，创新性地提出了基于离子液体添加剂的双向界面工程策略，为解决水系锌电池关键瓶颈提供了新思路。

研究首先系统梳理了现有技术路线的局限性。传统方法多聚焦于单一电极界面调控，例如阳极采用表面包覆材料抑制枝晶生长，阴极通过结构改性增强导电性。但实际应用中，电极界面存在复杂的耦合效应：阳极枝晶刺穿会引发阴极活性物质溶解，阴极副反应产生的氯离子迁移至阳极加速腐蚀。这种界面间的连锁反应机制尚未被充分揭示，导致现有解决方案难以实现系统性的性能提升。

团队突破性地引入1-丁基-2,3-二甲基咪唑氯盐（BDMIMCl）作为多功能添加剂。通过实验发现，该离子液体在0.2 M浓度时展现出最佳协同效应。其作用机制包含三个关键维度：首先，在锌阳极表面形成动态保护层，该层在循环过程中可自适应转化为固态电解质界面（SEI），有效抑制锌枝晶的持续生长。其次，通过离子配位作用重构Zn2+的溶剂化壳层，将原本亲水性环境转化为疏水状态，显著降低水分子的催化副反应概率。最后，BDMIMCl的氯负离子与聚苯胺（PANI）阴极发生协同作用，既稳定了PANI的导电网络结构，又促进了Cl?参与的多元离子存储机制。

在实验验证部分，研究构建了Zn||Zn对称电池和Zn||PANI全电池系统。对称电池在1 mA cm?2电流密度和1 mA h cm?2容量密度下，实现了2400小时的超长循环稳定性，容量衰减率低于0.01%/100小时。对比实验显示，添加BDMIMCl后，锌沉积/剥离过程中的界面阻抗降低约40%，且副反应产生的腐蚀产物厚度减少两个数量级。在Zn||PANI全电池中，通过同步调控两电极界面，电池展现出卓越的长期稳定性，2000次循环后容量保持率达84.3%，较未添加组提升超过10倍。值得注意的是，电压平台稳定性得到显著改善，循环过程中极化电压从初始的0.344 V逐步稳定至0.286 V，波动幅度缩小18%。

该研究的创新性体现在三个层面：其一，首次建立电极界面双向调控的理论框架，突破传统单向干预的局限；其二，开发出兼具离子传输调控和界面稳定功能的通用添加剂体系，为后续材料设计提供范式；其三，通过多尺度表征手段（包括原位电镜观测、分子动力学模拟、光谱分析等）揭示了添加剂在界面动态转化中的关键作用机制。

在技术路线设计上，团队采取分步验证策略。首先通过拉曼光谱和电导率测试分析添加剂对电解液离子传输特性的影响，发现BDMIMCl的引入使溶液离子强度提升12%，同时将氢键网络密度提高至0.85×10?3 N·m?1。其次利用原位循环伏安和X射线光电子能谱（XPS）追踪界面动态演变过程，证实BDMIMCl在循环过程中经历从液态添加剂向固态SEI的转化过程，该转化节点恰好对应锌沉积电流密度的阈值变化。最后通过多组对比实验，系统验证了添加剂对两电极的协同作用机制。

研究还特别关注添加剂浓度梯度效应。当BDMIMCl浓度超过0.2 M时，反而出现阴极极化增强现象，这可能与氯离子在电极表面的过度富集有关。通过调节添加剂与电解液的比例（优化为0.2 M），在阳极和阴极界面均达到最佳平衡状态。这种浓度依赖性特性为实际工程应用提供了重要参数，避免因过量添加导致系统性能反而下降。

从产业化视角分析，该研究具有显著的应用优势。首先，BDMIMCl作为已知工业级离子液体，其合成工艺成熟，成本可控，相较于新型有机添加剂更具经济性。其次，双界面协同调控机制突破了传统电池设计思维，为后续开发复合型添加剂奠定了理论基础。再者，研究提出的"动态SEI"概念，为构建自适应界面保护系统提供了新方向，特别适用于宽温域和长循环场景。

值得深入探讨的是添加剂的分子结构设计原理。BDMIMCl同时具备咪唑环的强配位能力和丁基链的柔顺特性，这种结构特征使其能够同时作用于阳极的金属-离子界面和阴极的有机-离子界面。在阳极，丁基链的引入增强了电解液对锌沉积位点的空间位阻效应，而咪唑环的氮氧配位基团则与锌离子形成稳定配位层。在阴极，氯离子通过调控PANI的氧化还原电位，促进三电子反应路径的形成，同时离子液体中的阳离子对PANI导电网络具有"分子桥梁"作用。

该成果对AZOBs技术路线发展具有重要启示。从材料体系角度看，研究证实离子液体类添加剂在双向界面调控中具有不可替代的优势，建议后续研究可聚焦于添加剂分子结构的精准设计，例如引入可调控的侧链长度或极性基团。在工艺优化方面，需建立添加剂浓度与电池性能的动态匹配模型，特别是考虑不同电流密度下添加剂的作用效能差异。在安全应用层面，需进一步评估氯离子迁移对电解液分解的长期影响，以及低温环境下添加剂的流动性变化。

从产业转化角度，建议重点关注以下技术要点：首先，建立添加剂的批次稳定性控制标准，确保不同批次电解液性能一致性；其次，开发配套的界面表征技术，实现BDMIMCl在电极/电解液界面的实时动态监测；再者，需研究大规模生产中添加剂的分散均匀性控制，避免局部浓度过高导致的性能衰减。此外，应加强全生命周期评估，特别是循环后期添加剂的分解产物对电池系统的潜在影响。

该研究对能源存储领域的影响已超出技术改进层面。其揭示的"界面双向耦合"机制，为解决其他类型水系电池（如钠离子电池、铝离子电池）的界面稳定性问题提供了通用方法论。特别在固态电池与液态电解质界面设计方面，该成果提出的"动态SEI"概念具有重要参考价值。据第三方评估机构测算，该技术可使水系锌电池的循环寿命突破5000次，成本降低约30%，有望在5-8年内实现商业化应用。

未来研究可沿着三个方向深入探索：第一，开发基于机器学习的添加剂分子筛选平台，结合已建立的双向调控机制，加速新型功能添加剂的发现；第二，研究多组分添加剂的协同效应，例如将BDMIMCl与新型表面活性剂复配，进一步提升界面保护效率；第三，将界面工程理念延伸至全电池系统设计，探索电极材料、电解液和集流体之间的多尺度协同优化策略。这些方向的突破将推动水系锌电池在电网级储能、船舶动力等领域的实际应用。