水系锌离子电池（AZIBs）中金属锌负极的运行寿命根本上受到界面微环境不稳定性的阻碍，特别是动态pH波动引发的严重腐蚀和枝晶生长。2026年5月11日，河南师范大学李欢欢、郑州大学张琳琳、通化师范学院郑艳萍在Advanced Functional Materials发表了题为"Synergistic Regulation of Interfacial pH and Desolvation Kinetics via a Zwitterionic Proton Reservoir for Durable Zinc Anodes"的研究论文。李欢欢为论文第一作者，李欢欢、张琳琳、Yanping Zheng为论文共同通讯作者。在此，本工作展示了一种多功能电解液添加剂——4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸（HEPES），用于重构负极界面。受有利的LUMO能级驱动，HEPES优先化学吸附在锌负极的内亥姆霍兹平面内。功能上，HEPES中的哌嗪基团作为质子储库抑制析氢反应，同时中和界面碱性，从而动态稳定局部pH。此外，HEPES固有的Zn2+亲和力促进水合Zn2+的去溶剂化并加速离子扩散动力学，降低均匀锌沉积的成核过电位。因此，优化的电解液赋予电池超长循环稳定性，在1mA cm-2下可逆镀/剥离达4500小时，在10mA cm-2下达1300小时。实用性在低N/P比（2.38:1）的全电池中进一步得到验证，该电池在500次循环后保持267.9mAh g-1的容量。这项工作不仅解决了pH诱导的界面不稳定性问题，还为高性能AZIBs中增强氧化还原动力学的分子电解液设计策略提供了新思路。随着可再生能源的快速整合和交通电气化，对运行安全、经济可行且环境可持续的电化学储能系统的需求日益增长。虽然锂离子电池在便携电子设备和电动汽车领域占据主导地位，但其在电网级应用中的可扩展性受到安全问题和关键金属（如Li、Co）资源限制的严重制约。
因此，研究人员目前正在研究超越锂的替代电池技术。在各种替代方案中，水系锌离子电池（AZIBs）作为新兴替代方案，具有金属锌负极的固有优势，包括高理论容量（820mAh g-1）、低氧化还原电位（相对于标准氢电极为−0.76V）、良好的水系兼容性和天然丰度。
不幸的是，AZIBs的广泛商业化受到锌负极电化学可逆性差和寿命有限的严重阻碍。失效主要源于重复锌镀/剥离过程中严重的界面不稳定性。一个基本但常被忽视的问题是由于电极/电解液界面处动态且空间异质的pH所致。当使用水作为溶剂时，竞争性的析氢反应（HER）不可避免地发生，消耗质子并生成氢氧根离子（OH⁻），导致局部界面pH升高。
该反应诱导绝缘且惰性的副产物（如Zn4SO4(OH)6·xH2O）不可逆沉淀，不仅耗尽电解液，还使电极表面粗糙化。源于钝化层的不均匀电场促进无序锌沉积和枝晶生长，从而导致短路引发的电池失效。因此，通过精确管理局部质子活性和调节离子传输动力学来稳定界面微环境，对实现高度可逆的锌电化学具有重要意义。
人们已付出大量努力来解决这些界面问题，如构建人工保护层、三维导电宿主设计和电解液组分工程等。尽管人工涂层和三维宿主可以均化离子通量，但其实际实施往往受到复杂制备工艺和引入过多非活性质量（损害能量密度）的困扰。与使用额外组分相比，利用电解液工程中的功能性添加剂提供了一种更方便且经济有效的方法来调控界面化学。
迄今为止，多种添加剂（如离子液体、聚合物和表面活性剂分子）已被研究用于通过静电屏蔽或溶剂化调控来抑制锌枝晶。然而，很少有策略全面解决性能衰减的根本原因：动态界面的原位pH变化。此外，单一功能添加剂往往无法解耦相互交织的热力学（腐蚀/HER）和动力学（成核/生长）挑战。因此，开发能够同步精确pH调控与动力学加速的合理分子设计势在必行。
最近，两性离子分子4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸（HEPES）作为这一目的的有前景候选物而出现。开创性研究已证明其在调控锌沉积方面的有效性，主要将改善的可逆性归因于HEPES在锌表面形成自组装单层，或报道基线电化学增强。尽管这些研究为HEPES的静态表面屏蔽效应提供了有价值的见解，但对其在电极/电解液界面处的热力学和动力学功能的全面理解仍然难以捉摸。特别是，这种分子在苛刻条件下如何动态调控局部pH波动和水合Zn2+离子的去溶剂化动力学，尚未得到系统阐明。
为填补这一机理空白，作者在此超越了传统的物理屏蔽机制，开发了一种环保的电解液调控策略，其中HEPES作为动态且多功能的电解液添加剂。受特定轨道相互作用（有利的LUMO能级）驱动，HEPES化学吸附在锌负极上，在此协调稳定的微环境。具体而言，HEPES中的哌嗪环作为活性质子储库缓冲局部pH波动并抑制寄生HER，而磺酸根基团降低去溶剂化能垒以加速动力学过程。
这种协同分子调控转化为卓越的电化学耐久性，使可逆锌镀/剥离在1mA cm-2下循环超过4500小时，同时在10mA cm-2下实现1300小时的 remarkable 高倍率寿命。此外，该策略的可扩展性在Zn//VO2全电池和软包电池中得到验证，它们在实用条件下长期循环表现出令人印象深刻的容量保持率。
这项工作不仅增强了对pH依赖界面动力学的基础理解，还为通过靶向分子设计实现高性能AZIBs的可扩展设计铺平了道路。
图1：展示了HEPES在锌负极表面的界面调控机制示意图、HEPES的pH依赖物种分布、HEPES与水的分子相互作用、1H NMR和FTIR光谱验证、MD模拟的溶剂化结构、径向分布函数分析以及拉曼光谱对氢键网络的表征。（a）HEPES赋能界面调控示意图。（b）通过Marvin Sketch软件计算的HEPES相关物种的pH依赖分布。（c）HEPES-H2O分子相互作用。（d）BE和含HEPES电解液的1H NMR对比。（e）添加HEPES后的FTIR光谱特征。（f）含HEPES电解液的MD模拟电池三维快照及相应溶剂化结构。（g）径向分布函数（RDFs）和Zn2+配位分析。（h）BE电解液和（i）含HEPES电解液中代表水分子的拟合O─H伸缩振动，包括强、中、弱氢键。（j）不同电解液中SSIPs和CIPs的比例。图2：该图通过DFT计算和实验表征揭示了HEPES与锌负极的原子级相互作用，包括吸附能对比、吸附构型、分子轨道能级、FTIR验证、双电层电容变化、腐蚀抑制效果SEM对比和XRD物相分析。（a）H2O和HEPES在Zn（002）和Zn（101）晶面的结合能。（b）不同晶面上H2O和HEPES的吸附能。（c）H2O和HEPES的分子轨道能级。（d）分别浸泡在BE和HEPES电解液中的锌箔FTIR光谱。（e）不同电解液中Zn//Zn对称电池的电容电流与扫描速率关系图。锌负极在（f）BE和（g）HEPES添加电解液中浸泡7天后的SEM图像。（h）锌箔在不同电解液中浸泡7天后的XRD图谱。图3：该图通过原位pH监测、LSV曲线、Tafel极化曲线、接触角测量、Arrhenius方程计算活化能、计时电流极化曲线和Zn2+迁移数测定，系统评估了HEPES对界面微环境和反应动力学的调控效果。（a）原位pH测试装置示意图。（b,c）不同电解液在锌负极附近的实时pH值。（d）在含和不含HEPES的1m Na2SO4电解液中测试的锌板LSV曲线。（e）不同电解液中的Tafel曲线。（f）不同电解液与锌负极的接触角测量。（g）通过Arrhenius方程计算的不同电解液活化能。（h）Zn//Zn对称电池的计时电流极化曲线及极化前后的阻抗谱。（i）不同电解液中计算的Zn2+迁移数。图4：该图通过计时电流法、原位光学显微镜、SEM、AFM、XRD和原位拉曼光谱，直观展示了HEPES对锌沉积形貌、晶体取向和界面离子分布的调控作用。（a）不同电解液中的计时电流曲线。（b）分别在HEPES和BE电解液中锌负极上锌镀层的原位光学图像。（c,d）分别在（c）HEPES和（d）BE电解液中循环后对称Zn//Zn电池的锌负极SEM图像。（e）在5mA cm-2和1mAh cm-2下HEPES中循环50次后锌负极的三维AFM图像。（f）原始锌负极、在BE电解液和HEPES添加电解液中沉积后的XRD图谱。（g）不同电解液中沉积后锌电极的I（002）/I（100）比值。（h）HEPES添加电解液中锌沉积过程中电极/电解液界面的拉曼光谱。图5：该图系统评估了HEPES对锌负极电化学性能的提升效果，包括Zn//Cu非对称电池的库伦效率和沉积电压曲线、CV曲线、Zn//Zn对称电池的长循环和倍率性能，以及与文献报道的对比。（a）在2mA cm-2下不同电解液中Zn//Cu非对称电池的库伦效率（CE）和（b）沉积电压曲线。（c）不同电解液中Zn//Cu电池的CV曲线。（d）在1mA cm-2和1mAh cm-2下Zn//Zn对称电池的长循环曲线。（e）在2mA cm-2和4mAh cm-2下高DOD的Zn//Zn对称电池长循环曲线。（f）在10mA cm-2和1mAh cm-2下Zn//Zn对称电池的长循环曲线。（g）不同电解液中Zn//Zn对称电池的倍率性能。（h）本工作与文献报道的其他改性电解液对称电池性能对比。图6：该图验证了HEPES在Zn//VO2全电池和软包电池中的实用可行性，包括CV和EIS曲线、倍率性能和长循环稳定性、自放电测试、高载量正极循环性能以及综合性能雷达图对比。（a）BE和HEPES电解液中Zn//VO2全电池的CV和（b）EIS曲线。（c）不同电解液中Zn//VO2的倍率性能和（d）循环性能。（e）不同电解液中全电池的自放电曲线。（f）使用HEPES添加电解液和高载量VO2正极的Zn//VO2循环性能。（g）制备的单层软包电池及其在1A g-1下的循环性能。（h）使用不同电解液的全电池综合性能对比。本研究开发了一种基于两性离子生物缓冲剂HEPES的环保电解液工程策略，通过协同调控界面pH和去溶剂化动力学，有效解决了水系锌离子电池中锌负极的界面不稳定性问题。HEPES作为动态多功能添加剂，其哌嗪基团充当质子储库缓冲局部pH并抑制析氢反应，磺酸根基团降低Zn2+去溶剂化能垒加速离子传输，从而使锌负极在1mA cm-2下实现4500小时、10mA cm-2下1300小时的超长循环稳定性，并促进（002）晶面择优取向的致密平整沉积。该策略在Zn//VO2全电池（5000次循环）和软包电池（150次循环）中得到验证，在低N/P比条件下展现出优异的实用性能。这项工作为高性能水系锌离子电池的分子级电解液设计提供了可扩展的新范式，在电网级储能、可穿戴电子设备和电动汽车等领域具有广阔的应用前景，对推动可持续电化学储能技术的发展具有重要意义。Synergistic Regulation of Interfacial pH and Desolvation Kinetics via a Zwitterionic Proton Reservoir for Durable Zinc Anodes，Advanced Functional Materials, 2026, https://doi.org/10.1002/adfm.75844
