水系鋅離子電池以其高安全性、綠色可持續、高理論容量和低成本等優點而成為大規模儲能的有力候選者。然而，鋅負極和水系電解質之間的熱力學反應引發的水分解和鋅腐蝕阻礙了其商業化進程。采用厚鋅箔（≥100 μm）可以減輕這些問題對電池性能的影響，但這將大大降低鋅金屬利用率（<1%），使其不適用于實際應用。此外，低N/P比、高靜態腐蝕和間歇運行環境下，使副反應更加顯著，也阻礙了鋅基儲能系統的進一步發展。原位構筑鋅負極保護層是一種有效抑制副反應的策略。然而，目前許多的保護層制備方法使用非原位物理方法，如刮涂或旋涂，這些策略由于附著力差可能會導致其在鋅表面開裂或脫落，并且保護層的厚度通常過高，阻礙離子擴散。因此，原位構建一種附著力強、耐水性好、離子擴散率高的多功能薄保護層對人工SEI層的開發仍然具有挑戰性。
東華大學焦玉聰研究員前期圍繞設計聚合物基電解質以優化鋅離子電池性能領域進行了較深入研究并發表了一系列相關工作如Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314456; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307271; Energy. Environ. Sci. 2023, 16, 4561; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215060; Adv. Mater. 2022, 34, 2110140等。
近期，東華大學化學與化工學院武培怡/焦玉聰團隊使用溶菌酶通過簡單浸泡的方法原位構筑具有親鋅-疏水雙功能特性人工保護層（LPL）以實現鋅負極的高利用率。研究發現，溶菌酶由于疏水誘導聚集效應可以在鋅表面形成穩定2D薄膜，在構象轉變過程中，二硫鍵被破壞，溶菌酶構象從α-helix轉變為β-sheet暴露出大量親疏水官能團。其中半胱氨酸殘基（Cys）、組氨酸殘基（His）等親水基團可以調節Zn2+溶劑化結構，修飾電雙層（EDL）結構，加快離子擴散速率，改善Zn2+沉積行為；而色氨酸殘基（Trp）等疏水性官能團，可以阻止水與鋅表面直接接觸，形成致密的阻水屏障層，有效抑制副反應和枝晶生長。基于溶菌酶保護層組裝的鋅鋅對稱電池在高放電深度（DOD: 77.7%）下可穩定運行超過1200 h，甚至在DOD達到93.2%情況下，依舊可以穩定運行120 h以上，組裝的Zn//Zn0.25V2O5全電池在低N/P比（2.1）和高鋅利用率（48%）下仍可保證長循環及高容量，相應軟包電池在100 mA h下也可保持穩定。
圖1 溶菌酶構象轉變調節鋅負極表面EDL示意圖以及LPL構象轉變和粘附性能表征
圖2 Zn/Zn2+可逆性表征
圖3 EDL結構調節表征
圖4 鋅沉積行為及副反應抑制表征
圖5 全電池和電容器性能表征
得益于LPL良好的抑制副反應及枝晶的能力，基于LPL組裝的Zn/MnO2，Zn/Zn0.25V2O5全電池和Zn/AC電容器展現出穩定的循環壽命。組裝的Zn/Zn0.25V2O5電池即使在低N/P比及高鋅利用率下仍然表現出優異的循環性能，進一步證實LPL的實際應用潛力。
以上研究成果近期以“Constructing Lysozyme Protective Layer via Conformational Transition for Aqueous Zn Batteries”為題，發表在《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2024, 2314144)上。東華大學化學與化工學院博士研究生潘怡帆為文章第一作者，焦玉聰研究員和武培怡教授為論文共同通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202314144
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