由于水系電解液相對于非水系有機電解液具有更好的可持續性和更高的安全性，水系鋅電（AZBs）已被視為下一代大規模儲能的新興候選。與堿金屬電池類似，電極/電解液界面溶劑化結構的動態演化對AZBs的儲能能力起著重要作用，涉及復雜的析氫反應（HER）和與腐蝕有關的問題。Zn²⁺和H⁺之間激烈的電子競爭所帶來的復雜挑戰與界面氫鍵（H-bond）網絡緊密相關，它顯著地影響著鋅在基底表面的電鍍/剝離，并且由于它對Zn²⁺ 的（去）溶劑化動力學的重要影響，在討論電池高性能的時候經常被提及。深共晶電解液、離子液體和功能添加劑等電解液修飾策略已被廣泛用于調節局部氫鍵網絡，從而有效地抑制HER并提高電池性能。然而，對這些策略促進高性能的機制探索尚未得到詳盡的研究。主要是由于可用于探測界面的技術局限性，導致對界面現象的討論往往具有不確定性和缺乏清晰度的特征。此外，建立并可視化界面H-bond演化和電池性能評估之間的實質相關性仍然是巨大的挑戰。

喬羽教授團隊和華中科技大學馮光教授團隊結合電化學原位傅里葉變換紅外光譜（in situ FTIR）和分子動力學模擬，深入研究了ZnSO₄電解液中，在金屬鋅電鍍/剝離過程中界面溶劑化結構的動態演化。實驗和理論計算均表明，鋅電鍍/剝離過程有兩個關鍵的變化過程，即在偏置電位下，初始雙電層的建立形成H₂O富集的界面（突變）和隨后界面氫鍵的動態演化（漸變）。此外，鍍鋅后形成了diluted interface（氫鍵數量增加，強度減弱），促進大量H₂生成（競爭HER）。相反，鋅剝離過程中形成了concentrated interface（氫鍵數量減少，強度增加），并產生了少量的H₂（腐蝕HER）。同樣，在濃度更高的電解液中（4 M），in situ FTIR隨Zn²⁺（去）溶劑化的變化趨勢與1 M電解液的一致，但電位依賴性較小。更重要的是，在偏置電位下立即形成的H₂O富集界面是關鍵，導致用1 M和4 M電解液組裝的電池在性能上差異明顯。在瞬時電位施加下，將界面溶劑化結構的突變程度做為水系鋅電池性能提升的評估指示符，本研究有利于指導水系電解液的調控和設計。

鋅沉積/溶出過程界面的動態演化示意圖

該研究工作是在喬羽教授、鄒業國博士（博士后研究員），和華中科大馮光教授的指導下完成，第一作者為2021級碩士研究生余小雨。該論文得到國家重點研發計劃（2021YFA1201900）、國家自然科學基金（22179111、22021001、52106090、T2325012）、嘉庚創新實驗室基礎研究項目（RD2021070401）等，以及固體表面物理化學國家重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c02558