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汪國秀/徐晶ACS Nano: 加點天然蛋白質(zhì)添加劑，實現(xiàn)高性能鋅離子電池！

可充電水系鋅離子電池具有安全性、資源豐富、毒性低、理論容量高及氧化還原電位低等優(yōu)勢，但在重復電鍍/剝離過程中鋅負極發(fā)生寄生副反應的巨大挑戰(zhàn)阻礙了其實際應用。

為解決上述挑戰(zhàn)，澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授、鄭州大學徐晶副教授及Xiaolong Shi等人報道了將絲素蛋白（SF）作為水系鋅離子電池的多功能電解液添加劑。包含圓二色（CD）光譜、XPS分析、DFT計算及AIMD模擬在內(nèi)的實驗與理論研究表明，SF分子在水系ZnSO₄電解液中經(jīng)歷了從α-螺旋向無規(guī)則卷曲的二級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這使其有效地削弱了自由水分子之間的氫鍵相互作用。

同時，SF分子也取代了Zn²⁺溶劑化鞘中的結(jié)合水形成[Zn(H₂O)₄(SF)]²⁺溶劑化結(jié)構(gòu)。[Zn(H₂O)₄(SF)]²⁺溶劑化鞘層釋放的SF分子逐漸吸附在Zn負極表面并原位形成水穩(wěn)定和自修復的保護膜，這種SF基保護膜不僅表現(xiàn)出很強的Zn²⁺親和力以促進均勻的Zn沉積，而且具有良好的絕緣性能來抑制寄生副反應。

圖1. 含SF添加劑的水系電解液溶劑化結(jié)構(gòu)分析

因此，采用1 M ZnSO₄ + 0.5 wt % SF電解液的Zn||Zn對稱電池在1 mA cm^-2的電流密度和1 mAh cm^-2的容量下實現(xiàn)了超長循環(huán)壽命（超過1600小時）。少量SF對降低水分活度的作用不大，不足以形成保護膜。然而，過多的SF添加劑也會導致電壓滯后增加，這表明由于較小的離子電導率和過量的SF含量引發(fā)的較厚保護膜導致Zn沉積的高能壘。

此外，即使在惡劣的充放電條件下（10 mA cm^-2和5 mAh cm^-2），該對稱電池仍表現(xiàn)出500小時的出色循環(huán)性能。更重要的是，Zn||KVO全電池在3 A g^-1下1000次循環(huán)后具有170 mAh g^-1的高容量和98.3%的高CE?？傊?，這項工作為利用天然蛋白質(zhì)分子作為綠色和有效的電解液添加劑在鋅負極上原位構(gòu)建保護膜提供了一條途徑，并為實現(xiàn)安全和高性能的鋅離子電池提供了有益的指導。

圖2. Zn||KVO全電池性能評估

In Situ Construction of Protective Films on Zn Metal Anodes via Natural Protein Additives Enabling High-Performance Zinc Ion Batteries, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c05285

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