Advanced Materials｜两性离子二肽稳定安时级锌–碘电池

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从44种分子筛选到双电极界面调控

aqueous zinc-iodine batteriesmultifunctional electrolyte additivemolecular descriptor screeningpolyiodide scavengingzinc dendritesdual-electrode regulation

一句话结论

作者用偶极矩与LUMO能级筛选44种氨基酸和二肽，选出L-carnosine作为电解质添加剂，在锌负极形成稳定的有机–无机混合SEI，同时通过咪唑环氧化还原清除多碘化物。

为什么值得读

1. 它把锌负极稳定和碘正极多碘化物控制放进同一个分子设计问题，而不是分别寻找两种添加剂。

2. 文章把分子描述符、界面吸附、晶面选择性沉积、SEI组成和全电池结果串成了一条可追溯证据链。

3. 除了扣式电池，作者还测试了高载量、低N/P比、50 °C和1.28 Ah软包，因而更适合评估策略的适用边界。

图1｜LC的分子筛选与双界面作用假设 图1展示44种氨基酸和二肽的偶极矩、前线轨道能级及LC在水系锌–碘电池中的作用示意：两性离子多位点结构用于锌界面吸附，咪唑环用于多碘化物反应。该图建立了从分子描述符到双电极功能的设计逻辑。来源：原论文 Figure 1。 来源：原论文 Figure 1（PDF）

论文信息卡

**英文题目：**Bioinspired Molecular Screening of Zwitterionic Dipeptides for Stable Ah‐Level Zinc–Iodine Batteries

**中文题目：**仿生筛选两性离子二肽实现稳定的安时级锌–碘电池

**期刊：**Advanced Materials

**发表时间：**2026年9月21日

**DOI：**10.1002/adma.75095

**作者：**Tao Yang、Zeyang Sun、Chang Dong、Fangyi Zha、Hongbo Wu、Yalan Zhang、Yong Chen、Shimou Chen、Hongli Chen、Yuhang Liang、Xuefeng Zhang

**通讯作者：**Shimou Chen、Yuhang Liang、Xuefeng Zhang

**单位：**Zhejiang Key Laboratory of Energy Conversion Materials for Advanced Motor，College of Materials and Environmental Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，P.R. China、College of Chemistry，Fuzhou University，Fuzhou，P.R. China、State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，P.R. China、State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai，P.R. China

**领域：**水系锌–碘电池、电解质添加剂与锌负极界面

**原文：**advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002…

研究背景：这个问题为什么重要

水系锌–碘电池兼具水系体系的安全与低成本潜力，但锌负极在水和硫酸根环境中容易发生析氢、腐蚀、碱式硫酸锌副产物与枝晶沉积；碘正极在充放电中产生的I3−、I5−等可溶性多碘化物又会穿梭到锌负极。

传统添加剂往往只改善锌负极或只吸附碘物种，且高浓度有机添加剂可能改变溶剂化结构、增加黏度或降低离子传输。

一个分子如何同时具备足够的界面极性、可控的还原活性和对水系锌–碘两端都有效的功能，仍缺少可计算筛选的设计规则。

如果同一低剂量分子能够稳定两个电极界面，就有机会降低体系复杂度，并把分子结构与水系高能电池的长期可逆性直接联系起来。

核心问题

能否用少数可计算的分子描述符，从氨基酸和二肽中筛选出一种同时调控锌负极沉积和碘正极多碘化物的电解质添加剂？

1. LC的偶极矩和LUMO能级是否足以解释其筛选优势？

2. LC如何改变锌界面的水、硫酸根、Zn2+分布以及沉积晶面？

3. LC是否通过形成成分梯度明确的SEI来降低副反应和枝晶？

4. 咪唑环能否以氧化还原而非单纯配位的方式清除多碘化物，并转化为全电池与软包性能？

主要创新

1. 以偶极矩和LUMO能级为双描述符，筛选44种天然氨基酸与二肽，得到具有高偶极矩和适中LUMO能级的L-carnosine。

2. 利用LC的两性离子和多位点结构排斥锌界面水与硫酸根，并通过对Zn(100)和Zn(002)的选择性钝化，引导Zn(101)取向沉积。

3. 以LC的还原分解构筑约12.8 nm的ZnS/ZnCO3/ZnO/有机组分垂直梯度混合SEI。

4. 利用咪唑环的电子富集位点快速还原多碘化物；LC–MS将LC的m/z 227.11信号与反应后的m/z 241.07新信号联系到oxocarnosine。

图2｜LC对锌界面溶剂、水和硫酸根的调控 图2比较ZSO与ZSC中的LC吸附、分子动力学分布、界面水和SO4^2−RDF以及原位同步辐射FTIR信号。ZSC中LC更稳定地位于锌界面，界面水和硫酸根信号减弱，双电层电容由85.84降至9.51 µF cm−2。来源：原论文 Figure 2。 来源：原论文 Figure 2（PDF）

方法路线

**研究对象：**以Zn||Zn、Zn||Cu、Zn||I2电池和Ah级Zn||I2软包为验证对象，比较不含LC的ZnSO4基线电解质（ZSO）与含LC的电解质（ZSC），并以组分拆分的组氨酸（ZSH）和β-丙氨酸（ZSA）作对照。

**样本或数据：**筛选44种氨基酸和二肽；在界面与电化学实验中重点考察L-carnosine，浓度对比显示50 mM LC的综合效果最明显。

**关键技术：**分子偶极矩、HOMO/LUMO与DFT吸附能计算、AIMD、经典分子动力学、RDF与COMSOL电场模拟、FTIR、Raman、NMR、原位同步辐射FTIR与接触角测试、LSV、Tafel、计时安培、Zn||Zn/Zn||Cu/Zn||I2循环和EIS、TEM、ToF-SIMS、XPS、原位XRD、WAXS与原位光学显微镜、LC–MS、原位Raman和UV–vis跟踪多碘化物

**对照设计：**ZSO与ZSC基线对比、ZSH、ZSA与完整LC分子对比、组氨酸、咪唑与β-丙氨酸的多碘化物清除对照、不同LC浓度、DOD、温度、正极载量和N/P比条件

**评价指标：**偶极矩与LUMO能级、Zn2+迁移数、脱溶剂化活化能、双电层电容和接触角、Zn||Cu平均库仑效率、Zn||Zn循环时长与DOD耐受、Zn||I2循环寿命、容量保持率、自放电、高温稳定性与软包容量保持率

分析流程：

1. 计算筛选44种分子并锁定LC

2. 验证LC对锌界面溶剂、水和硫酸根分布的影响

3. 分析Zn2+传输、成核、晶面选择性和SEI形成

4. 验证咪唑环清除多碘化物的反应路径

5. 在扣式、较高负载和Ah级软包中检验双电极调控效果

关键结果

双描述符把LC筛选为同时具备界面极性与适度还原活性的分子

**结论：**LC在44种氨基酸和二肽中表现为高偶极矩与适中LUMO能级的组合，而不是单一极性或单一还原性指标的极端值。

**证据：**LC的LUMO为−1.49 eV，HOMO约为−5.20 eV；作者报告其偶极矩处于筛选分子的高值端，并以偶极矩和LUMO构建双描述符筛选。

**图表：**Figure 1

**解释：**偶极矩对应界面吸附和水排斥潜力，LUMO则为LC优先参与SEI形成及还原多碘化物提供热力学线索。

**注意：**该筛选规则建立在本文44种分子和后续实验验证上，不能直接外推为所有电解质分子的普适排序。

LC重排锌界面而不明显改变体相溶剂化

**结论：**LC主要作用于锌电极附近的界面层，排斥水和硫酸根，并降低界面水参与副反应的机会。

**证据：**DFT给出LC与Zn的结合能为−0.87 eV，水为−0.36 eV；加入LC后双电层电容由85.84降至9.51 µF cm−2，接触角由101.0°变为81.9°，并观察到界面水和SO4^2−的RDF降低。

**图表：**Figure 2

**解释：**LC的多位点吸附与空间电荷分布把保护作用集中在界面，而FTIR、Raman和NMR结果支持其未显著重构体相Zn2+溶剂化。

**注意：**界面水排斥、析氢抑制和腐蚀降低之间的因果关系由多种表征共同支持，但各表征对应的时间和空间尺度不同。

LC降低脱溶剂化障碍并诱导Zn(101)取向沉积

**结论：**LC改善Zn2+传输和成核均匀性，并通过对Zn(100)/Zn(002)的选择性吸附，使沉积逐渐呈现Zn(101)织构。

**证据：**Zn2+迁移数从ZSO的0.31升至ZSC的0.43，脱溶剂化活化能从66.92降至37.82 kJ mol−1；ZSC中的Zn沉积为致密片状，原位XRD与WAXS显示Zn(101)相对强度随沉积增强。

**图表：**Figure 3

**解释：**LC在部分晶面上的较强吸附产生选择性钝化，保留Zn(101)作为较有利的成核与生长方向，同时均化界面电场。

**注意：**Zn(101)取向是本文实验条件下的主要沉积纹理，不能视为所有电流密度和电解质组成下的固定晶面结果。

LC构筑约12.8 nm的垂直梯度有机–无机混合SEI

**结论：**LC优先还原并参与构筑由ZnS、ZnCO3、ZnO和无定形有机组分组成的紧凑、成分梯度化SEI。

**证据：**50个循环后，ZSC样品表面观察到约12.8 nm SEI；TEM、ToF-SIMS和XPS显示ZnS靠近金属内侧，ZnCO3偏向外侧，ZnO和有机组分贯穿层内。ZSC中阻抗组分在循环中基本稳定，SEI电阻约10个循环后不再继续升高。

**图表：**Figure 4

**解释：**ZnS和ZnCO3有利于Zn2+迁移，ZnO提供化学钝化，有机相提供柔性，这种梯度结构同时兼顾传输与抗腐蚀。

**注意：**作者把各组分的功能与已知材料性质联系起来，但本文主要证明了组成、梯度和电化学稳定性之间的关联。

锌沉积可逆性和深度放电耐受显著提升

**结论：**LC使锌沉积/剥离在对称电池和不对称电池中保持更长时间的稳定工作。

**证据：**Zn||Cu在2 mA cm−2、1 mAh cm−2下稳定1400个循环，平均库仑效率99.76%；Zn||Zn在1 mA cm−2、1 mAh cm−2下运行4980 h，而ZSO约68 h失效；DOD为82%时仍可循环超过420 h。

**图表：**Figure 5

**解释：**界面水排斥、晶面选择性、低脱溶剂化障碍和稳定SEI共同降低了枝晶与副反应的累积。

**注意：**这些寿命数据对应具体电流密度、面容量、DOD和电池构型，比较时需要保持测试条件一致。

咪唑环通过氧化还原路径清除多碘化物

**结论：**LC不是只把多碘化物物理吸附在电解质中，而是利用咪唑环的电子富集位点将其还原为I−，LC同步被氧化。

**证据：**加入I3−后，LC–MS出现m/z 241.07的新信号，并被合理归属于oxocarnosine；反应后的负离子模式仅检测到m/z 126.90的I−，未观察到I3−、LC–I−或LC–I3−配位复合物。ZSC的H型池保持无色，原位Raman和UV–vis中多碘化物信号显著减弱或不可见。

**图表：**Figure 6

**解释：**β-丙氨酸链主要贡献锌界面功能，咪唑环承担多碘化物清除功能，完整LC由此实现双界面协同。

**注意：**oxocarnosine的归属由质谱信号与机理分析支持；作者并未把所有可能的中间反应步骤逐一解析。

全电池与Ah级软包验证了双电极调控的延伸性

**结论：**LC在Zn||I2全电池中降低极化并延长循环寿命，且效果延伸到高温、高正极载量、低N/P比和安时级软包。

**证据：**正极载量4.5 mg cm−2时，ZSC全电池在5 A g−1下超过18000个循环且容量保持率接近100%；50 °C下稳定2100个循环；低N/P比条件下无明显容量衰减地运行1500个循环；1.28 Ah软包在0.2 C初始容量超过1.28 Ah，并在2 C下500个循环后保持85%容量。

**图表：**Figure 7

**解释：**LC同时抑制多碘化物穿梭和锌负极腐蚀，使界面稳定性能够传递到更接近应用的电池构型。

**注意：**文章未在本文中给出完整的工程化寿命、成本和规模制造评估；软包结果说明可行性，不等同于商业化验证。

图3｜Zn2+传输、成核与晶面选择性沉积 图3结合Zn2+相关结合能、原位Raman、COMSOL电场、不同Zn晶面吸附能、沉积形貌、原位XRD、WAXS和原位光学图像，比较ZSO与ZSC的沉积过程。ZSC降低脱溶剂化活化能，并形成更均匀、偏向Zn(101)的片状沉积。来源：原论文 Figure 3。 来源：原论文 Figure 3（PDF）

图4｜ZSC中垂直梯度有机–无机混合SEI 图4从分子轨道、TEM、高分辨TEM、ToF-SIMS深度分布、三维组分可视化和XPS分析SEI。ZSC样品在50个循环后形成约12.8 nm的紧凑层，ZnS、ZnCO3、ZnO和有机组分沿深度方向呈梯度分布；ZSO则表现为含OH−/SO4^2−副产物的无序钝化层。来源：原论文 Figure 4。 来源：原论文 Figure 4（PDF）

图5｜锌沉积可逆性、循环寿命与DOD耐受 图5比较ZSO和ZSC的Zn||Cu库仑效率、Zn||Zn倍率与长循环、不同DOD条件以及循环后锌表面形貌。ZSC在2 mA cm−2、1 mAh cm−2下稳定1400个Zn||Cu循环，在1 mA cm−2、1 mAh cm−2下稳定4980 h，DOD 82%时超过420 h。来源：原论文 Figure 5。 来源：原论文 Figure 5（PDF）

图6｜LC的多碘化物氧化还原清除 图6通过LC–MS、吸附能与反应自由能、H型池可视化、原位Raman和UV–vis比较LC存在与否时的多碘化物行为。加入I3−后出现m/z 241.07的oxocarnosine相关新信号，ZSC侧保持无色且多碘化物光谱信号受抑。来源：原论文 Figure 6。 来源：原论文 Figure 6（PDF）

图7｜Zn||I2全电池与Ah级软包表现 图7给出Zn||I2全电池的CV、倍率、EIS、5 A g−1长循环、50 °C循环、高载量/低N/P比测试和Ah级软包示意及寿命。ZSC在4.5 mg cm−2正极载量、5 A g−1下超过18000个循环，1.28 Ah软包在2 C下500个循环后保持85%容量。来源：原论文 Figure 7。 来源：原论文 Figure 7（PDF）

机制图或逻辑链

问题：锌负极的水系副反应与碘正极的多碘化物穿梭同时限制Zn–I2电池寿命。 → 筛选：用偶极矩寻找强界面极性，用LUMO能级寻找适度还原活性，从44种分子中选出LC。 → 负极机制：LC多位点吸附排斥水和硫酸根，降低脱溶剂化障碍，选择性钝化Zn(100)/Zn(002)，引导Zn(101)沉积并形成梯度SEI。 → 正极机制：LC咪唑环快速将I3−等多碘化物还原为I−，自身转化为氧化产物，抑制穿梭。 → 器件验证：Zn||Cu、Zn||Zn和Zn||I2数据逐级显示可逆性、长期循环与应用条件耐受性，最后延伸到1.28 Ah软包。

这篇论文强在哪里

1. 分子筛选指标、界面表征、反应路径和器件性能之间的证据链较完整。

2. 同时设置ZSO、ZSH、ZSA、组氨酸、咪唑和β-丙氨酸等对照，帮助区分完整LC分子的协同作用。

3. 性能报告覆盖对称电池、不对称电池、全电池、温度、DOD、载量、N/P比和Ah级软包，避免只用单一低负载条件展示结果。

对研究者的启发

**同领域研究者：**可将偶极矩–LUMO双描述符作为筛选水系金属电池双功能添加剂的候选起点，再用界面吸附和氧化还原实验证实。

**交叉方向：**两性离子多位点吸附与可控分子氧化还原的组合，也可启发需要同时处理金属界面和可溶中间体的水系储能体系。

**论文写作：**本文的叙事顺序适合按筛选依据、界面机制、结构证据、化学清除和器件边界组织，而不是把全部表征按仪器类别平铺。

**下一步实验：**下一步应在更高面容量、长时间静置、不同锌盐和更大规模软包条件下，分别量化LC消耗、氧化产物累积、气体副反应与长期电解质稳定性。

术语解释

**L-carnosine（LC）：**本文选出的两性离子二肽电解质添加剂，由β-丙氨酸和L-组氨酸单元组成，兼有多位点锌界面吸附与咪唑环氧化还原功能。

**ZSO / ZSC：**ZSO表示不含LC的ZnSO4基线电解质，ZSC表示加入LC的电解质，是本文主要对照。

**多碘化物穿梭：**碘正极反应中生成的可溶性I3−、I5−等物种迁移到锌负极并引发副反应、自放电和活性物质损失的过程。

**垂直梯度SEI：**沿锌金属表面法向方向具有不同组分分布的固体电解质界面层；本文中ZnS、ZnCO3、ZnO和有机相并非均匀混合。

**DOD：**Depth of discharge，放电深度，表示循环过程中锌负极可逆容量被使用的比例。

可保存金句

从44种氨基酸与二肽中，作者用偶极矩和LUMO能级锁定LC，而不是只凭经验选择添加剂。

LC的作用分成两部分：β-丙氨酸链帮助调控锌界面，咪唑环负责多碘化物的氧化还原清除。

ZSC在1 mA cm−2、1 mAh cm−2下让Zn||Zn对称电池运行4980 h，并把效果延伸到1.28 Ah软包。

读者讨论问题

1. 偶极矩和LUMO能级在更大分子库中是否仍能保持对双功能添加剂的筛选能力？

2. LC氧化为oxocarnosine后，长期循环中添加剂消耗和电解质组成变化会如何影响保护层？

3. 在更高面容量与更低电解液用量下，Zn(101)取向和梯度SEI能否保持？

4. 如何把LC清除多碘化物的动力学、锌腐蚀速率和全电池自放电建立成可比较的定量模型？

结尾

这项工作给出的核心不是某一个添加剂的单点性能，而是一条可检验的分子设计路径：用偶极矩连接界面吸附，用LUMO连接可控还原，再用完整分子的结构协同同时处理锌负极与碘正极。对水系锌–碘电池而言，LC把界面稳定性和多碘化物化学清除统一到了同一电解质策略中。

通讯作者简介

Shimou Chen

通讯作者；State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，P.R. China

本文通讯作者之一，负责水系锌–碘电池的界面与电解质研究。论文通讯邮箱为 chensm@buct.edu.cn。

来源：原论文作者与通讯信息

Yuhang Liang

通讯作者；College of Chemistry，Fuzhou University，Fuzhou，P.R. China

本文通讯作者之一，参与分子筛选与水系锌–碘电池研究。论文通讯邮箱为 yuhang.liang@fzu.edu.cn。

来源：原论文作者与通讯信息

Xuefeng Zhang

通讯作者；Zhejiang Key Laboratory of Energy Conversion Materials for Advanced Motor，College of Materials and Environmental Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，P.R. China

本文通讯作者之一，参与锌金属电极与水系储能体系研究。论文通讯邮箱为 zhang@hdu.edu.cn。

来源：原论文作者与通讯信息

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