摘要：

在寻求适用于特定应用场景的经济高效且安全的水系锌离子电池过程中，具有丰富表面化学特性、结构多样性、生物相容性及环保特性的生物材料备受关注。本文通过将含主要成分(5S)-5-羟基-1-(3-羟基-4-甲氧基苯基)癸烷-3-酮（简称6G）的新鲜生姜融入水合硫酸锌电解液（ZSO），有效缓解了水活度问题并抑制了锌枝晶的生长。该简易方法表明，6G电解质添加剂不仅改变了初始氢键，还形成了独特的Zn²⁺溶剂化壳层。原位光学显微镜进一步验证了锌的均匀致密沉积，这归因于6G在锌板表面的吸附作用。创新的ZSO+6G电解液使Zn||Zn对称电池在0.2mA·cm^-2电流密度下展现出1550小时的卓越循环稳定性。同时，Zn||Cu非对称电池在1mA·cm^-2电流密度下实现了99.26%的惊人平均库仑效率。本研究开创性地提出利用生物材料优化电解液的方法，通过调控配位化学特性来提升锌负极的耐久性。

图1.我们通过将新鲜生姜（其主要成分为(5S)-5-羟基-1-(3-羟基-4-甲氧基苯基)癸烷-3-酮，简称6G）融入水合ZnSO₄电解液中，有效降低了水活度并抑制了锌枝晶的形成。该简易方法表明，6G电解质添加剂不仅改变了初始氢键，还形成了独特的Zn²⁺溶剂化壳层。

文章简介：

水系锌离子电池（AZIBs）凭借其环保性、经济性、安全性及资源丰富性，成为可持续电网能源系统的理想选择。此外，锌金属阳极具有高理论容量（820 mAh g-1）和适宜的氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）。这些优势促使全球科研界广泛应用AZIBs。然而，锌金属在水环境中的热力学不稳定性导致锌腐蚀及氢进化反应（HER）发生。同时，OH^-离子在阳极-电解质界面不断富集，改变系统局部pH值。更严重的是，羟基离子加速了Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O（ZSH）和Zn(OH)₂等副产物生成。这些副产物不利于锌的均匀沉积，从而促进树枝状晶体生长，最终导致电池性能下降。追求长寿命锌阳极必须抑制树枝状晶体及HER、腐蚀等恶性反应。目前，电解液工程已成为解决AZIB相关问题的有效途径，其中合成有机溶剂作为电解液添加剂的应用已得到广泛研究。然而，合成有机溶剂的高成本、易燃性和毒性与AZIB追求经济性与安全性的目标相悖。为弥合这一差距，天然材料及其衍生物因其复杂的表面化学、结构多样性、生物相容性、环保性、经济性和易获取性而备受关注。研究证实CS和PASP丰富的阴离子官能团对Zn(002)晶面具有高吸附能，从而调控锌沉积。Yuksel团队提出基于芦荟（AV）的电解质可抑制氢电化学反应及锌枝晶形成。性能提升归因于AV电解质中的醌基团，这标志着生物材料在调控锌离子液态电池水系电解质性能方面的应用前景。

在众多富含营养的生物材料中，(5S)-5-羟基-1-(3-羟基-4-甲氧基苯基)癸烷-3-酮（简称6G），即众所周知的姜辣素，是鲜姜的主要成分。生姜属姜科植物，以其调味与药用特性广受认可。此外，其具有无毒性、生物相容性及低成本等优势。6G分子中特别富含羟基、羰基及甲氧基等多种官能团。依托这些官能团，6G能通过多种途径改变锌阳极-电解质体系的化学性质。通常，羰基可改变溶剂化结构，有利于抑制有害反应；羟基则提供强氢键位点，诱导重构的氢键网络抑制水分活度。受6G多功能基团启发，其有望通过调控电解质特性显著提升AZIBs性能。

本文展示了一种基于六溴六硼酸（6G）的绿色可持续电解液（标记为ZSO6G），可显著提升锌铁氧体电池（AZIBs）的可逆性和稳定性。深入的光谱研究表明，6G添加剂能穿透Zn²⁺的溶剂化壳层，从而置换部分水分子。此外，该添加剂能有效断裂水分子间的初始氢键，显著降低水分活度。尤其值得注意的是，6G在锌金属负极表面形成亲水/亲锌层，增强电解液润湿性，有利于锌的均匀沉积。由此，ZSO6G电解液在Zn||Zn对称电池中可实现增强的电化学性能与稳定性，且在不同电流密度下均表现优异；在Zn||Cu非对称电池中，于1mA·cm⁻²和1mAh·cm⁻²条件下更达到99.26%的卓越平均库仑效率（CE）。凭借Zn金属阳极优异的可逆性和稳定性，Zn||PANI全电池在ZSO6G电解液中以0.5 A g^-1电流密度实现了增强的循环性能。

文章结论：

综上所述，通过在ZnSO₄电解液中添加低成本、无毒且生物相容的6G添加剂，成功制备了耐久性锌阳极。该添加剂通过改变配位化学特性，重构了氢键网络并调整了溶剂化壳层——该效应经拉曼光谱、¹H NMR、⁶⁷Zn NMR及密度泛函理论计算验证。此举显著抑制了枝晶生长及氢氧化反应（HER）等有害反应，从而促进均匀的锌沉积。依托改良电解液体系，Zn||Zn对称电池在0.2mA/cm²电流密度下实现1550小时循环稳定性。此外，ZSO6G电解液使Zn||PANI全电池在700次循环后仍保持73.5%的容量保持率，展现出卓越的循环稳定性。本研究通过采用廉价生物材料，为提升AZIBs的可逆性和稳定性提供了切实可行的解决方案。

文章信息：

Bio-Based Green and Sustainable Electrolyte Additive for Durable Zinc Anodes

Peter Joseph Chimtali, Olalekan Sanmi Ifayefunmi, Fangren Qian, Asante Obed Frimpong, Zeinab Mohamed, Luyao Wen, Dengfeng Cao, Shuangming Chen, Xiaojun Wu, Changda Wang*, Li Song*

https://doi.org/10.1002/bte2.20250065