緩慢的傳輸動力學和不穩定的電極界面熱力學是阻礙水系鋅金屬電池發展的主要原因。

在此，深圳大學張培新，馬定濤等人提出了微量添加劑介導的疏水結構編輯的概念，通過添加三官能兩性聚（丙烯酸）（PAA）來重建Zn²⁺溶劑化結構，并在電極表面原位自組裝化學吸附層。具體而言，Zn²⁺的運輸動力學可以通過與電離的PAA分子鏈協調而得到增強。

此外，該疏水界面可以避免H₂O與電極直接接觸，從而抑制副反應和溶解。因此，在5 mA cm^–2下電池表現出8232 mAh cm^–2的高容量，并且在-25和60°C下壽命分別延長了60和35倍。

圖1. 作用機制示意圖

總之，該工作展示了通過微量添加劑介導疏水結構編輯實現了水系鋅金屬電池寬溫度長期運行。針對動力學緩慢、尤其是在低溫條件下的輸運動力學，可以通過調節水合Zn²⁺的配位環境來提高Zn²⁺的輸運動力學和反應活性。而對于電極界面不穩定的反應熱力學，特別是在高溫條件下，通過原位自組裝形成的疏水吸附層可以解決這一問題。

因此，Zn電極在高電流密度5 mA cm^-2下展示出優異的循環穩定性，壽命達到3293小時。在極端溫度環境下，循環壽命也得到顯著延長，-25°C和2 mA cm^-2條件下提高了60倍，60°C和0.5 mA cm^-2條件下提高了35倍。此外，基于ZnV₂O₄的水系全電池，在5 Ag^-1條件下經過1500個循環后仍能保持327.65 mAh g^-1的高比容量。

總之，與單功能人工界面和電解質修飾方法相比，PAA可以在負極表面實現吸附層和類固體電解質(SEI)界面的形成，并重構Zn²⁺的溶劑化結構。更重要的是，PAA優化了電池在各種氣候條件下的表現，提高了商業應用前景。

圖2. 電池性能

Trace-Additive-Mediated Hydrophobic Structure Editing of Aqueous Zinc Metal Batteries for Enabling All-Climate Long-Term Operation, ACS Energy Letters 2023 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01872