金属锌具有储量丰富、理论比容量高（820 mAh g−1）、平衡电位低（−0.763 V vs SHE）、析氢过电位高以及安全性好等优势，是一种理想的水系锌离子电池负极材料。然而，锌枝晶生长、腐蚀等界面副反应导致锌负极在弱酸性电解液中可逆性和稳定性差，限制了锌金属负极的实际应用。该工作提出谷氨酸钠（MSG）作为一种廉价高效的电解液添加剂显著提升了锌负极的循环寿命和库伦效率。其中，MSG在水溶液中解离生成游离的谷氨酸根阴离子（Glu−）。Glu−通过稳定吸附在锌金属表面调控了锌负极/电解液界面，有效抑制界面副反应和锌枝晶生长。因此，Zn||Zn对称电池在10 mA cm−2的电流密度和5 mAh cm−2的沉积容量下实现了6 Ah cm−2的超高累积容量；Zn||Cu电池在2 mA cm−2的电流密度和1 mAh cm−2的沉积容量下稳定循环1700圈，平均库伦效率达到99.75%。
关键创新
1、Glu−通过化学吸附重构了锌负极/电解液界面，形成贫水的双电层。
2、吸附的Glu−占据了腐蚀和析氢反应的活性位点，极大抑制了水诱导的副反应。
3、吸附的Glu−能够均匀锌离子流并促进[Zn(H2O)6]2+去溶剂化，实现具有低成核过电位的均匀锌沉积。
本文要点
1. MSG对锌负极腐蚀的抑制效果
图1. 金属锌在电解液中的腐蚀行为研究。（a）在含/不含MSG的ZnSO4电解液中浸泡21天前后锌片的光学图像和SEM图像以及（b）相应的XRD图谱。（c）锌电极的线性极化曲线。（d）Zn||Zn对称电池进行交替循环/搁置的动态测试的稳定性比较。
要点：
1、锌片浸泡在含MSG的ZnSO4电解液中21天之后仍能保持光亮状态，没有明显的形貌变化，也没有观察到腐蚀副产物（图1a）。而浸泡在纯ZnSO4电解液中的锌片表面堆积着大量不规则的片状副产物（Zn4SO4(OH)6·3H2O）。这表明MSG添加剂有效提升了锌电极在电解液中的稳定性。
2、由线性极化曲线可知，相比ZnSO4电解液（0.864 mA cm−2），锌电极在含有MSG的电解液中具有更低的腐蚀电流（0.486 mA cm−2），表明腐蚀反应被抑制。
3、在交替72次循环/72小时搁置的动态测试中，由含MSG电解液组装的Zn||Zn对称电池能稳定运行长达3500小时，并且整个过程中平均电压极化低至48 mV。因此，无论是电池静置还是循环期间，MSG添加剂都能稳定锌负极。
2. 锌负极表面吸附分析
图2. 锌负极表面吸附表征和理论计算。（a）锌片在含MSG的ZnSO4电解液中浸泡前后的FTIR图谱。MSG和浸泡后的锌片的（b）O 1s、（c）C 1s以及（d）N 1s的XPS谱图。（e）H2O和不同状态的Glu−在Zn（002）晶面上的吸附模式及相应的吸附能。（f）相应的差分电荷密度分布图。（g）添加Glu−前后锌负极表面双电层结构示意图。
要点：
1、通过FTIR和XPS谱图分析得知，Glu−在锌金属表面发生化学吸附，并且吸附作用主要基于−COO−官能团。
2、理论计算结果进一步证实了Glu−在锌表面的吸附归因于Zn和−COO−基团之间的化学相互作用。
3、吸附能结果表明Glu−会优先于水分子吸附在锌表面，从而形成了一种新的贫H2O双电层结构，从而抑制水引起的副反应。
3. 锌沉积行为分析
图3. 锌沉积行为表征和分析。原位显微镜观察在（a）不含和（b）含MSG的ZnSO4电解液中的锌离子的沉积过程。锌电极在（c）不含和（d）含MSG的ZnSO4电解液中循环后的SEM图像。（e）锌金属的恒压计时电流曲线。（f）锌在不锈钢上沉积的循环伏安曲线。（g）锌沉积过程中的锌负极/电解液界面行为示意图。
要点：
1、在添加MSG后，整个电沉积过程中锌沉积层都保持平整致密，循环后的锌电极显示出具有致密锌片阵列形貌的平坦且均匀的表面。这种致密均匀的锌沉积形貌意味着均匀的成核位点。
2、在添加MSG后，2D表面扩散受到约束，成核过电位降低。吸附的Glu−容易吸引Zn2+并排斥水分子，这促进了水合Zn2+的去溶剂化过程，降低成核能垒，并且限制了锌离子的扩散，有利于实现均匀成核。
3、如图3g所示，当引入MSG后，Glu−优先吸附在锌电极表面作为缓冲层，将Zn与H2O阻隔。当Zn2+开始沉积时，吸附的Glu−可以均匀分配锌离子流并促进Zn(H2O)62+的去溶剂化，表现出均匀快速的锌沉积动力学，最终实现了无腐蚀和均匀的锌沉积。
4. 锌负极的电化学性能分析
图4. 锌负极的电化学可逆性和稳定性研究。（a）Zn||Cu半电池在2 mA cm−2/1 mAh cm−2测试条件下的库伦效率以及在（b）含MSG电解液中不同圈数下的电压曲线。不同电流密度和沉积容量条件下Zn||Zn对称电池性能：（c）2 mA cm−2/2 mAh cm−2;（d）5 mA cm−2/5 mAh cm−2；（e）20 mA cm−2/20 mAh cm−2。（f）放电深度为80%时循环稳定性。（g）本工作与之前报道的基于电解液添加剂的Zn||Zn对称电池的累积沉积容量的比较。
要点：
1、在添加MSG后，Zn||Cu半电池的平均库伦效率可以达到99.75%，并稳定维持1700次循环，表明锌负极的可逆性和稳定性得到明显改善。
2、在添加MSG后，Zn||Zn对称电池在不同的测试条件下均实现了超长的循环性能，进一步证实了吸附的Glu−能有效抑制枝晶生长，提高锌负极的稳定性。
3、MSG对Zn||Zn对称电池的循环性能提升效果优于大部分报道的电解液添加剂。特别的是，MSG添加剂提高了较薄的锌箔负极（20 µm）的稳定性，即使在高达80%的锌利用率条件下，仍能实现长达460小时的稳定锌沉积/溶解。
5. 水系NH4V4O10||Zn全电池
图5. 含/不含MSG的ZnSO4电解液中NH4V4O10||Zn电池的电化学性能比较。（a）在0.5 A g−1电流密度下的充放电曲线和（b）相应的循环性能。（c）在2 A g−1电流密度下的长循环性能。（d）倍率性能。（e）循环后锌负极的SEM图。（f）含MSG电解液组装的软包电池点亮LED灯展示图。
要点：
1、采用MSG添加剂组装的NH4V4O10||Zn电池展现出良好的循环稳定性和倍率性能，相比对照组循环稳定性得到明显提升。
2、在ZnSO4电解液中循环后的锌负极表面观察到严重的粉化和枝晶。而添加MSG之后，循环后的锌负极表面表现出均匀平整的沉积形貌。表明MSG添加剂有效抑制了副反应和枝晶，从而稳定锌负极，提升了水系锌离子电池的电化学性能。
文章链接
Monosodium glutamate, an effective electrolyte additive to enhance cycling performance of Zn anode in aqueous battery
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107220
