Molecular capping arrests Ostwald ripening of interfacial zinc hydroxide sulfate for reversible zinc electrochemistry
本研究表明，分子封端剂 N-乙基-2-吡咯烷酮 (NEP) 通过调节成核后老化过程并重构溶剂化环境，抑制了界面硫酸羟基锌的奥斯特瓦尔德熟化，从而构建了一个稳定的有机-无机界面相，实现了高度可逆且持久的锌电化学性能。
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利用水储存能量的电池是通往更安全、更廉价储能技术的一条充满前景的路径。与大多数手机和汽车中使用的易燃液体不同，水基电池使用的电解质不会起火。锌是一种在电池中常见的金属，含量丰富且能储存大量能量。然而，当锌在水中被使用时，它面临着一个持久的问题：这种金属在被使用后并不总是能平滑地重新沉积。相反，它倾向于生长成被称为“枝晶”的尖锐、针状突起。这些突起可能会刺穿电池的内部隔膜，导致电池失效。此外，金属表面的化学反应通常会产生一层不必要的矿物质结壳，从而阻碍电流的流动。多年来，科学家们一直试图阻止这些矿物质的形成，或建立屏障将其隔绝。但一种新的方法表明，试图防止这些矿物质出现并不是解决问题的唯一途径。
研究人员发现，真正的问题不仅在于这些矿物质结壳的形成，还在于它们如何随时间发生变化。在水基锌电池中，一种被称为氢氧化硫酸锌的物质会自然地在金属表面形成微小的、显微级别的晶体。最初，这些晶体很小且无害。然而，随着电池的循环，一个自然过程会导致较小的晶体溶解，而溶解的物质则重新附着在较大的晶体上。这使得大晶体长得越来越大，而小晶体则逐渐消失，这种现象被称为奥斯特瓦尔德熟化（Ostward ripening）。最终，这些不断增长的晶体合并成厚厚的、具有绝缘性的块状物，从而使电池停止工作。这项由伦敦大学学院和中南大学研究人员领导的新研究表明，通过在电池的水溶液中加入一种特定的分子，可以阻止这种粗化过程。
团队在电解液中引入了一种名为N-乙基-2-吡咯烷酮（NEP）的分子。研究人员发现，与其试图从一开始就阻止微小锌晶体的形成，不如让NEP充当一种保护涂层，将晶体锁定在微小且有用的状态。当微小晶体开始形成时，NEP分子会立即粘附在其表面。这层分子排斥了通常会帮助溶解晶体并为大晶体提供养分的水分。通过阻挡这些水，NEP防止了小晶体的溶解，并阻止了物质向外迁移以使大晶体生长的过程。结果是，矿物质沉积保持为一层细小的、稳定的纳米级颗粒层，而不是变成通常会毁掉电池的厚重、阻塞性的淤泥。
这种分子封盖作用不仅能阻止晶体生长，还能改变锌金属周围的环境。NEP分子聚集在表面，并重新排列锌离子被水和其他化学物质包围的方式。这种变化使得水更难分解并产生氢气——这是一种会损坏电池的浪费性副反应。它还鼓励锌以平坦、光滑的片状形式重新沉积在表面，而不是形成锯齿状的突起。NEP分子在电池运行过程中还会发生轻微分解，形成一层柔韧的、富含氮的有机层。这层结构充当了一个支架，将这些微小的、稳定的矿物质晶体固定在原位，并创造出一个混合界面，使离子能够自由通过，同时保持金属表面的受保护状态。
这一简单添加带来的影响是巨大的。在测试中，使用经过NEP处理的电解液的电池可以进行超过3,100次的充放电，且效率近乎完美，而标准电池失效的时间要早得多。当研究人员在极端条件下测试电池，即进行极快速的充放电时，NEP版本持续运行了800多个小时而未发生故障。在采用碘阴极的全电池系统中，该系统在极高速下运行了7,500个循环。使用这种电池中的锌金属表面保持得异常光滑，其粗糙度比不含添加剂的电池低了六倍。这项研究表明，科学家们不必与不可避免的矿物质副产物形成作斗争，而是可以通过管理它们的生长来解决问题。通过抑制自然的粗化过程，一种不想要的副产物可以转化为电池的功能性组成部分，从而帮助电池寿命更长、性能更好。
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