湖南大学刘琦/清华大学深研院/深圳大学韩翠平最新AFM丨PVP-I诱导(002)锌沉积!

水系锌离子电池具有成本低、安全性高和环境友好等优势，被认为适合大规模储能。然而，锌金属在反复剥离/沉积过程中容易产生枝晶，同时伴随析氢反应和腐蚀副反应，最终造成库仑效率下降、极化加剧和循环寿命缩短。调控锌沉积晶面是解决枝晶问题的重要方向。

其中，Zn的(002)晶面具有较低表面能、平面化形貌以及更好的抗析氢和抗腐蚀稳定性，因此诱导(002)择优沉积有望提升锌负极可逆性。

分子拥挤电解液能够通过高浓度外源分子改变Zn²⁺溶剂化结构并阻隔自由水侵蚀，但离子电导率与黏度之间的平衡仍是关键难题。

该研究引入PVP-I作为动态螯合-分子拥挤配体，利用其与H₂O、Zn²⁺和锌表面的相互作用，同时调节水氢键网络、溶剂化结构和界面吸附行为，从而实现抑制副反应与引导(002)取向沉积的协同效果。

近日，湖南大学刘琦、清华大学深圳国际研究生院李宝华、中国科学院深圳先进技术研究院常彩云、深圳大学韩翠平等人在Advanced Functional Materials发表了题为"Weakened Hydrogen-Bond Molecular Crowding Electrolyte Enabling (002)-Textured Zinc Deposition for Dendrite-Free Zinc Ion Batteries"的研究论文，Ting Xie、Chenguang Bao 为论文第一作者，刘琦、李宝华、常彩云、韩翠平为论文通讯作者。

核心亮点

1. 提出PVP-I动态螯合-分子拥挤配体策略，用于弱化水的氢键网络并调控锌负极界面。

2. PVP-I兼具强吸附、氢键调控和碘补偿作用，可同时服务锌负极稳定和Zn||I₂正极容量。

3. ZTPI电解液降低水参与溶剂化的比例，抑制析氢和腐蚀副反应，并促进均匀Zn²⁺传输。

4. 该策略诱导锌沿低能(002)晶面择优沉积，形成更平整、无枝晶的锌沉积形貌。

5. Zn||Cu半电池平均库仑效率达99.86%，Zn||Zn对称电池寿命超过8000 h，Zn||I₂全电池在室温和50 °C下均表现出长循环稳定性。

📄 全文速览

锌金属在充放电循环中的不可逆反应和枝晶生长会导致水系锌离子电池库仑效率低、循环寿命短。该研究使用聚乙烯吡咯烷酮碘络合物PVP-I作为动态螯合-拥挤配体，构建了一种弱化氢键的分子拥挤电解液。

依托其强电负性和氢键作用能力，PVP-I削弱水的氢键网络，从而调控溶剂化结构和沉积动力学。这种协同作用不仅抑制析氢并促进(002)取向锌沉积，还能补充正极容量。

因此，高可逆锌负极在10 mA cm⁻²下实现3000圈稳定循环，平均库仑效率为99.86%。Zn||Zn对称电池寿命超过8000 h，倍率性能可达25 mA cm⁻²，并在50 °C下保持稳定。

进一步地，该分子拥挤电解液使Zn-I₂全电池在室温下稳定运行超过7000圈，在50 °C下稳定运行3200圈。该工作凸显了大分子络合添加剂在重新定义高耐久水系锌离子电池分子拥挤电解液设计方面的潜力。

📊 图文解读

图1 | 通过结构、电化学筛选和腐蚀形貌比较，确定20% PVP-I是兼顾导电性、黏度、抗析氢和锌界面稳定性的最优动态螯合拥挤配体。

Figure 1围绕NVP、PVP和PVP-I三类吡咯烷酮分子展开筛选。结果显示，PVP-I调节静电势并增强与Zn²⁺和H₂O的相互作用；

20% PVP-I电解液兼具12.8 mS cm⁻¹电导率和270 mPa·s黏度，同时表现出最低腐蚀电流、最负析氢电位以及最长Zn||Zn循环寿命。浸泡后的SEM也证明，PVP-I能显著减轻锌表面腐蚀和副产物堆积。

图2 | 光谱、分子动力学和DFT计算共同证明PVP-I重构Zn²⁺溶剂化结构、削弱水参与并强吸附于Zn(002)表面。

Figure 2从FT-IR、¹H NMR、Raman、CA、MD和DFT多角度揭示PVP-I的作用机制。O-H与C=O振动位移说明PVP-I与水形成氢键并削弱体相水网络；

Raman和MD表明PVP-I进入Zn²⁺溶剂化环境，降低H₂O和OTF⁻参与程度；CA曲线显示沉积由不均匀2D扩散转向稳定3D扩散。吸附能计算进一步证明PVP-I在Zn(002)面的吸附强于H₂O、NVP和PVP。

图3 | 半电池和对称电池测试表明ZTPI显著提升锌剥离/沉积可逆性、长循环寿命、深度放电和高温倍率稳定性。

Figure 3展示ZTPI对锌负极电化学稳定性的直接提升。在10 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²下，Zn||Cu电池循环超过3000圈并保持约99.86%平均库仑效率，而ZT仅约100圈失效。

Zn||Zn对称电池在静置测试、不同电流密度、60%放电深度和50 °C倍率测试中均保持稳定，说明PVP-I虽然带来略高成核过电位，却换来了更强界面保护和长期可逆沉积。

图4 | 原位光学、SEM、XRD、HRTEM和XPS证明ZTPI诱导平整无枝晶Zn沉积，并形成富无机组分的稳定界面层。

Figure 4聚焦锌负极循环后的形貌和晶体学演化。原位光学显微和循环后SEM显示，ZT电解液中锌沉积容易粗糙化并产生枝晶，而ZTPI中沉积更致密平整。XRD强度比表明ZTPI促进Zn(002)取向增强；

HRTEM和深度XPS进一步说明界面层结构更稳定，含有有利于抑制副反应和枝晶生长的无机SEI成分，从晶面和界面两端共同提升负极稳定性。

图5 | Zn||I₂全电池和软包电池验证ZTPI在实际体系中的高倍率、长循环、高温和结构稳定优势。

Figure 5将策略推进到Zn||I₂全电池。CV、倍率和长循环结果显示，ZTPI电解液可使Zn||I₂电池在5 A g⁻¹下稳定超过7000圈并保持高容量保持率，在50 °C下仍可循环超过3200圈。

600 mAh级软包电池也能稳定运行超过320圈。示意图和CT图像说明，PVP-I构建的分子拥挤层与稳定界面共同抑制枝晶、腐蚀和副反应，提升全电池实用稳定性。

📝 总结

该研究开发了一种基于PVP-I分子拥挤添加剂的弱化氢键电解液，用于调控水系锌离子电池中的锌沉积行为。PVP-I能够与水分子形成氢键，削弱水的氢键网络，并通过动态螯合作用进入Zn²⁺溶剂化结构，减少H₂O参与，从而抑制析氢和副反应。

同时，PVP-I在Zn(002)晶面上的强吸附有助于调节锌离子通量和成核过程，促进(002)取向、无枝晶锌沉积，并形成超薄无机SEI层。

由此，Zn||Zn对称电池在1 mA cm⁻²、1 mAh cm⁻²下实现超过8000 h稳定循环，Zn||Cu电池平均库仑效率达到99.86%。

在全电池中，采用ZTPI电解液的Zn||I₂体系在5 A g⁻¹下循环超过7000圈，室温容量保持率为95.9%，并可在50 °C下稳定超过3200圈。

该工作表明，PVP-I动态螯合配体可拓展分子拥挤电解液设计原则，为高性能水系锌离子电池提供新的界面与溶剂化调控思路。

Weakened Hydrogen-Bond Molecular Crowding Electrolyte Enabling (002)-Textured Zinc Deposition for Dendrite-Free Zinc Ion Batteries,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.77250