锌枝晶生长和严重的析氢反应（HER）阻碍了水系锌金属电池的实际应用，这与锌负极的沉积动力学和热力学稳定性密切相关。宽服役温度是水系锌金属电池走向工业应用的硬性指标和关键。然而，在更接近实际应用的宽温度范围内，浓差极化引起的锌枝晶生长和析氢反应会加剧，从而进一步降低水系锌金属电池的安全性。迄今为止，研究人员发展了多种策略来实现室温常规条件下稳定的锌负极。遗憾的是，实现具有超长寿命的可逆锌负极仍然是一个挑战，特别是在高放电深度或宽温域的严苛条件下。电极/电解质界面处的浓差极化会影响电池在超长循环时或恶劣条件下的耐久性，从而导致电池失效。

针对上述问题，中南大学潘安强教授团队回归到经典的动力学和热力学视角，引入少量的还原性谷胱甘肽（RGSH）来重塑Zn²⁺沉积的动力学行为，增加析氢反应的热力学能垒。具体来说，RGSH的空间位阻效应调协了Zn²⁺电化学还原动力学以匹配其体相迁移，并增加了Zn²⁺在体相迁移中的比例，从而诱导了具有（002）织构的无枝晶锌沉积行为。同时，RGSH具有丰富的氢键供体和受体，重新配置了电解液中水分子的配位网络以获得全气候适应性，消除了低温下“死锌”的积累问题和高温下的析氢腐蚀，将电池系统的服役温域扩展到-20℃~70℃。

从热力学的角度来看，抑制析氢反应的关键是提高其反应能垒，延缓其优先发生性或隔绝金属负极与水直接接触。而在动力学中，根据“空间电荷模型”，快速的锌还原反应对Zn²⁺的过量消耗与Zn²⁺在体相中迁移相对缓慢存在矛盾。沉积过程中没有及时补充界面处Zn²⁺，导致锌负极表面Zn²⁺局部浓度差较大，在空间电荷和强电场的驱动下容易诱导锌枝晶的萌生，特别是在表面突起处。这表明枝晶生长本质上是Zn²⁺沉积的动力学问题，与界面处的浓差极化密切相关。因此，减少界面处的浓差极化有望调节不均匀锌沉积，从而从根本上解决枝晶问题。

综上所述，该工作揭示了通过分子空间结构和官能团筛选对锌沉积动力学行为进行综合精确调控的可行性，并从动力学和热力学的经典角度验证了RGSH作为介质对锌沉积动力学的解析和调控。RGSH的位阻效应使电荷转移反应与Zn²⁺迁移更加协调适配，从而避免了有害的浓差极化。此外，近微量的RGSH重构了电解液中的水配位网络结构，将电池系统的使用温度范围扩展到-20℃~70℃。因此，对动力学平衡和热力学调控的探索具有深远的意义，而基于此所展开的设计验证为开发高性能二次水系电池电解质提供了一般的设计理念。

Tuning Zn²⁺ Deposition Kinetics towards Deep-Reversible Zinc Metal Batteries with All-Climate Adaptability

Yining Chen, Dr. Shuang Zhou, Jianwen Li, Xin Zhang, Chuancong Zhou, Xiaodong Shi, Chunxiao Zhang, Prof. Guozhao Fang, Prof. Shuquan Liang, Zhi Su, Prof. Anqiang Pan

文章的第一作者是中南大学博士研究生陈逸宁；通讯作者是中南大学/新疆大学潘安强教授，新疆大学粟智教授和中南大学周双老师。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202423252