陈忠伟院士、郭新立教授，罗丹研究员 CEJ：分子开关工程调控锌离子传输实现快充锌离子电池

第一作者：李钰莹

通讯作者：郭新立*，罗丹*，陈忠伟*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，东南大学

水系锌离子电池（AZIBs）在储能领域备受关注，但是锌负极表面的锌枝晶生长、析氢副反应（HER）、腐蚀等问题导致锌负极易失效，致使电池循环寿命不足。其中，通过在锌负极表面构建导离子保护层，可有效抑制锌负极枝晶生长及副反应。然而，在锌快速析出/沉积过程中，锌离子在保护层内部及界面处的扩散速率受限这一关键问题常被忽视，导致反应动力学迟缓。为此，本文提出分子开关工程策略，调控了锌离子在析出/沉积过程中的相互作用力，实现了对锌离子传输的精准操控。

近日，来自大连化学物理研究所的陈忠伟院士、罗丹研究员与东南大学的郭新立教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Molecular switch engineering manipulates Zn ion transfer enabling fast charging Zn-ion batteries”的观点文章。该观点文章提出了一种分子开关工程策略，调控了锌离子在沉积/析出过程中的相互作用力，以实现对锌离子传输过程的精准操控。

在水系锌离子电池中，通过在锌负极表面构建导离子保护层，可有效抑制锌负极枝晶生长及副反应。然而，在锌快速析出/沉积过程中，锌离子在保护层内部及界面处的扩散速率受限这一关键问题常被忽视，导致反应动力学迟缓。为此，本文提出分子开关工程策略，调控了锌离子在析出/沉积过程中的相互作用力，实现了对锌离子传输的精准操控。本文以吸附的吡咯分子作为分子开关，该分子开关能够激活磷酸钛保护层（TiP-Py@Zn），使其在界面处优先捕获锌离子并促进离子在离子通道内的传输，从而实现有序、快速且连续的离子传输过程。

在锌离子沉积过程中，表面的吡咯分子迅速与电解液中的锌离子结合，将其输运至磷酸钛结构中的离子隧道内部。锌离子穿过离子隧道后，会被另一个吡咯分子捕获，继而进入下一个通道，直至到达锌负极表面发生沉积，形成一个连续的过程。TiP-Py保护层提供了有序、连续且高效的锌离子扩散路径，从而实现锌离子的均匀沉积。同时，该保护层还可有效析氢反应，可有抑制水系电解液中的析氢及负极腐蚀问题。

本文提出了一种分子开关工程策略，构建了以磷酸钛为保护层，并吸附吡咯分子作为分子开关，以调控锌负极上的锌离子扩散过程。吡咯分子与离子隧道中的结合水协同作用，有效改变了锌离子传输过程中的相互作用，从而实现了锌离子的有序、快速且连续传输。实验表征、DFT计算及COMSOL模拟结果表明，TiP-Py保护层能够加速锌离子在整个沉积过程中的扩散，进而避免了锌枝晶生长和副反应的发生。由于分子开关工程的协同效应，TiP-Py@Zn对称电池在50 mA cm⁻²的较高电流密度下展现出超过800 h的优异循环稳定性，累积容量高达20 Ah cm⁻²。此外，TiP-Py@Zn//MnO₂全电池在扣式电池和软包电池体系中均表现出卓越的循环稳定性，分别可在1500次循环后保持81%的容量保持率，以及在500次循环后保持84%的容量保持率。该策略所取得的成果展现出分子开关工程在能源存储与转化领域中的巨大潜力。

Molecular switch engineering manipulates Zn ion transfer enabling fast charging Zn-ion batteries

郭新立教授简介： 东南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，江苏省双创人才，2025东南大学十佳研究生导师，Journal of Advanced Materials Research期刊主编，主要从事纳米材料及其在储能和催化等领域应用研究。在Advance Energy materials, Physical review letters等学术期刊上发表研究论文200余篇，撰写教育部十四五规划教材《纳米材料基础》一部，中英文专著各两章，拥有国家发明专利30多项。

罗丹研究员简介：中国科学院大连化学物理研究所研究员，下一代动力电池研究组组长，博士生导师，入选大连化物所“张大煜青年学者“，辽宁省“兴辽英才”，科睿唯安“高被引”学者。目前已发表SCI论文150余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Communications, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chemical Society Reviews等高水平期刊上发表论文50余篇，被引13500余次，H因子75。

陈忠伟院士简介： 加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任，动力电池与系统研究部部长 ,国际电化学能源科学院副主席。陈忠伟院士担任中国化学会期刊《Renewables》主编（入选“2021年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”项目）。他致力于燃料电池、高能硅基锂离子电池、锂硫电池、锌空储能电池以及超级电容器的先进纳米材料开发与产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci.等期刊发表SCI论文700余篇，被引77000余次，H-index指数154，另外，编著3部，章节11章，申请/授权美国、中国和国际专利60余项。多次担任重要国际学术会议主席，并多次做特邀大会报告。陈忠伟院士曾获2016年度加拿大最高国家科技奖，2017年度当选为加拿大工程院院士，同时获得由加拿大皇家科学院颁发的卢瑟福纪念奖章以奖励其在先进电池材料和燃料电池等科学研究领域所做出的杰出贡献。陈忠伟院士享有极高全球学术影响力，连续多年被科睿唯安评选为“高被引学者”。2019年当选为加拿大皇家科学院院士，成为加拿大最年轻的两院院士。