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枝晶生長和鋅負極的低沉積/剝離效率以及水系電解液的高冰點阻礙了水系鋅離子電池的實際應用。

蘇州大學程濤、哈爾濱工業大學王殿龍、王博等通過在水系電解液中加入甜菜堿（Bet，甜菜植物的副產品），提出了一種基于兩性離子滲透電解液的分子擁擠電解液，以解決上述問題。

圖1. 水系電解液中Bet的DFT計算和光譜表征

在生物學中，生物大分子和親水小分子在生物細胞中的濃度非常高，而且擁擠。當親水小分子，如代謝物和滲透性物質的濃度達到600 mM時，就會形成”小分子擁擠”。擁擠的環境會改變溶液的性質，例如，H₂O的氫鍵結構被打破，活性降低。甜菜堿（Bet）是一種安全無毒的生物兩性離子滲透劑，主要從甜菜中提取，可使一些植物在零下環境中生存。

受這種分子擁擠效應的啟發，預計可以通過構建分子擁擠電解液來減少自由H₂O的含量，以抑制析氫并降低冰點。基于此，作者通過Bet首次通過仿生學構建了一個分子擁擠的電解液，以穩定鋅負極。

圖2. Zn的沉積/剝離性能及形態

Bet與Zn²⁺之間的強相互作用打破了Zn²⁺的溶劑化鞘，減少了靠近Zn負極的Zn²⁺周圍的活性水，抑制了HER，減少了副產物的發生，從而使Zn-Cu電池的平均庫侖效率（CE）達到99.9%。此外，Bet改變了Zn²⁺的沉積方向，導致沒有枝晶沉積。獲得的對稱電池可以在0.5 mA cm^-2、0.5 mAh cm^-2下穩定工作4235小時以上。

此外，基于Bet/ZnSO₄電解液的Zn負極在-30至60℃的寬溫度范圍內保持了良好的可逆性。如該研究所示，基于仿生學概念的高濃度功能生物分子的利用可為ZIBs的多功能電解也設計提供更多的活力。

圖3. 所得電解液的低溫性能

Molecular Crowding Effect Mimicking Cold Resistant Plant to Stabilize Zinc Anode with Wider Service Temperature Range. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208237

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