水系锌基电池因其高理论容量（820 mAh g⁻¹和5854 mAh cm⁻³）、高安全性、低成本、丰富的储能能力以及良好的可回收性，正逐渐成为一种极具潜力且经济可靠的储能装置。在锌离子电池中，电极/电解质界面的电化学反应过程对电池性能及循环寿命起着决定性作用。然而，在电沉积与剥离过程中，Zn²⁺在电解质中的迁移速率通常难以与Zn²⁺的沉积速率相匹配，从而在电极/电解质界面引发浓度极化现象。
在此，东华大学武培怡、焦玉聪等人提出了一种新型的锌离子富集保护层（TMAO-Zn），该保护层由两性离子结构的三甲胺氧化物（TMAO）构建。TMAO具有最小的偶极矩，与锌离子形成弱偶极相互作用，从而降低浓度极化并促进锌离子的均匀沉积。
此外，TMAO-Zn中的氧原子具有更高的亲电性指数，与内亥姆霍兹层（IHL）中的活性自由水形成更稳定的氢键，从而在低电解液浓度条件下抑制腐蚀。结果表明，TMAO-Zn可以有效提高锌离子电池在低电解液浓度下的性能和寿命，为锌离子电池的实际应用提供了新的思路。
图1. 分子偶极矩与结构表征
总之，TMAO是一种由正负电荷（N+-O−）直接相连的两性离子，被引入以提升锌电池性能。TMAO具有较小的偶极矩，能够在锌金属表面形成稳定的富含锌离子的保护层（TMAO-Zn）。该TMAO-Zn层能够有效平衡电极/电解质界面的浓度极化，抑制因pH波动引发的副反应，并促进Zn2+的均匀沉积。
TMAO-Zn可通过与IHL中的活性自由水形成稳定的氢键，在贫电解质条件下显著降低腐蚀和副反应的发生。基于此，采用TMAO-Zn的对称及非对称锌电池即使在15 μL mAh−1的E/C比下仍可实现稳定循环。
此外，含TMAO-Zn的Zn/I2软包电池在低E/C比（21.2 μL mAh−1）下可提供高达96 mAh的容量；在60°C高温条件下，于约24 μL mAh−1的E/C比下仍能可靠运行200次。因此，该种基于两性离子设计的富含锌离子保护层为提高贫电解质条件下的电化学性能以及推动锌基储能器件的商业化提供了切实可行的策略。
图2. 全电池和锌离子混合电容器的电化学性能
Weak Dipole Effect Customized Zinc Ion‐Rich Protective Layer for Lean‐Electrolyte Zinc Metal Batteries, Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202501004
焦玉聪 东华大学化学与化工学院研究员，博士生导师。2008年毕业于浙江大学高分子科学与工程系，2015年于复旦大学高分子物理与化学系获得博士学位，2017至2018年于美国东北大学从事博士后研究，2018年9月入职东华大学。主要从事水凝胶的结构设计及其水系电池应用研究，聚合物在固态金属电池中的应用。以第一或通讯作者在Angew.Chem.Int.Ed.,Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.,ACS Nano，Nat.commun.，Adv.Energy Mater.等杂志发表多篇SCI论文，高被引论文8篇。
武培怡 东华大学化学化工与生物工程学院教授、院长，国家杰青，英国皇家化学会会士。1985年、1988年获得南京大学学士和硕士学位，1998年博士毕业于德国ESSEN大学。1998-2000年在日本触媒研究中心从事研究工作，2000年至今在复旦大学工作，2017年起任东华大学化学化工与生物工程学院教授、院长。主要研究方向为1.二维相关光谱在聚合物体系中的应用；2.仿生材料；3.聚合物功能膜；4.凝胶电解质。