陕西理工大学电化学储能器件团队李乐、张丹AFM: 水活性抑制与离子通量均匀化协同——富含羟基和氧缺陷的氧化锌界面层助力锌负极超稳循环- 大数跨境

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陕西理工大学电化学储能器件团队李乐、张丹AFM: 水活性抑制与离子通量均匀化协同——富含羟基和氧缺陷的氧化锌界面层助力锌负极超稳循环

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2026-04-01

导读：陕西理工大学电化学储能器件团队李乐、张丹AFM: 水活性抑制与离子通量均匀化协同——富含羟基和氧缺陷的氧化锌界面层助力锌负极超稳循环

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文章信息

动态氢键钝化协同缺陷引导离子输运以实现稳定锌阳极

第一作者：杨媛媛

通讯作者：李乐*，张丹*

单位：陕西理工大学

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研究背景

面向大规模储能技术的迫切需求，水系锌离子电池（AZIBs）凭借锌金属的高体积容量、水电解质本征安全及低成本等优势，成为极具潜力的候选体系。然而，锌负极的实际循环寿命远低于理论预期，其根本瓶颈在于负极/电解液界面处高活性自由水分子诱导的电荷分布不均、溶剂化结构失稳及离子传输受阻，进而引发析氢、腐蚀等副反应与枝晶生长。尽管人工保护层、高浓电解质等策略已取得一定进展，但多数方案局限于单一功能设计，难以协同调控水活性抑制与Zn2+沉积行为。针对这一挑战，本文提出“氢键钝化与缺陷引导”协同的界面调控新范式。

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文章简介

近日，陕西理工大学李乐等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Dynamic Hydrogen-Bond Passivation Coupled with Defect-Guided Ion Transport for Stable Zn Anodes”的研究论文。该研究提出了一种“氢键钝化+缺陷引导”协同的界面调控策略，通过在锌负极表面构筑富含羟基与氧空位的电解衍生氧化锌（EZO）保护层，实现了对界面水活性与锌沉积行为的协同优化。深入揭示了表面羟基与氧空位的协同作用，有效抑制了水诱导的副反应，并引导锌离子实现均匀沉积，为构建高稳定、多体系兼容的水系锌电池提供了新的界面设计范式。

图1. 氢键钝化-氧空位导锌协同机制。

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本文要点

要点一：多功能材料设计

通过电化学路径在锌负极表面原位构筑电解衍生氧化锌（EZO）保护层。该材料兼具高密度表面羟基与氧空位双重功能位点：表面羟基为构建氢键网络提供化学锚点，能够锚定自由水分子并重构界面水环境；氧空位则作为富电子亲锌位点，可选择性吸附并引导Zn²⁺的界面传输。这种结构-功能一体化的材料设计，为协同界面调控奠定了坚实基础

图2. (a) XPS全谱；(b) 高分辨Zn 2p谱；(c) 高分辨O 1s谱；(d) EZO的XRD图谱；(e) EZO与商用ZnO的拉曼光谱对比；(f) EZO样品与商用ZnO的固态¹H核磁共振谱；(g) 高分辨透射电镜图像及晶格间距。

要点二：界面反应路径优化

EZO界面层通过双功能位点协同，实现了界面反应路径的全流程优化。氢键网络锚定自由水分子，从源头抑制界面腐蚀与析氢副反应，同时重构Zn²⁺溶剂化结构，降低去溶剂化能垒；

图3. (a) EZO @Zn和氧化锌@Zn界面处氢键的O-O距离分布；(b) EZO@Zn和氧化锌@Zn界面处氢键O–H O角分布；(c) 通过分子动力学分析计算的 EZO @Zn和氧化锌@Zn界面处氢键数；(d) EZO@Zn和(e) 氧化锌@Zn界面处界面结构的分子动力学模拟示意图；(f) 在2 M硫酸锌电解液中，EZO@Zn和氧化锌@Zn界面处水信号的拉曼光谱；(g) 水合Zn2+在EZO@Zn和氧化锌@Zn界面处的逐步脱溶剂化能；(h) 通过分子动力学分析计算的EZO@Zn和氧化锌@Zn界面处氢键能。

氧空位则进一步均匀化界面离子通量，引导Zn2+由三维枝晶生长转向二维横向铺展。三者在抑制腐蚀、改善去溶剂化、均匀沉积三个关键环节形成闭环协同，共同构建了稳定的界面反应微环境。

图4. (a) EZO @Zn电极在5.0 mA cm−2电流密度下经过50次循环前后的EPR谱图；(b) EZO @Zn电极循环前后的PL谱图；(c)EZO@Zn与裸锌的离子转移数；(d) 10 mA cm−2电流密度下不同沉积量下锌表面形貌；(e) EZO@Zn涂层与裸锌表面在5.0 mA cm−2电流密度下经过50次循环后的SEM图像（面积容量为1.0 mAh cm−2；(f) EZO @Zn与裸锌的原位弛豫时间分布分析；(g) EZO @Zn与裸锌的离子电导率。

要点三：协同调控机制

突破传统单一功能保护层设计范式，将界面水活性抑制与Zn2+沉积路径优化整合于同一界面层。表面羟基通过竞争性氢键重构界面水网络，有效抑制水诱导的副反应并促进Zn2+逐步去溶剂化；氧空位作为富电子亲锌位点，引导去溶剂化后的Zn2+实现均匀二维形核与横向生长。二者协同作用，实现了界面热力学稳定与动力学优化的统一。

图5. (a) 在2 M硫酸锌电解液中，EZO@Zn与裸Zn电极在10 mA cm−2恒电流循环过程中的原位拉曼光谱；(b) 裸铜表面与EZO@Cu表面副产物的拉曼映射。(c) EZO@Zn在30次循环前后的高分辨率O 1s光谱对比；(d) EZO@Zn在30次循环前后的高分辨率Zn 2p光谱对比；(e) EZO@Zn与裸Zn在锌沉积过程中的原位XRD强度变化；(f) EZO @Zn与裸Zn的模拟电流密度分布。EZO@Zn与裸Zn的模拟电流密度分布。色条表示相对于最大电流密度的归一化值（无量纲）；(g) EZO@Zn与裸Zn的模拟离子浓度分布。色条表示相对于最大Zn2+浓度的归一化值（无量纲）。

要点四：全电池性能验证

EZO@Zn负极在多种全电池体系中均展现出优异的兼容性与稳定性。与MnO2、钒基氧化物及挑战性更高的Zn-I2转化型正极搭配时，均能实现稳定循环，其中Zn-I2全电池在10 A g-1高电流密度下循环10000次后容量保持率高达97%。宽温域测试表明，该体系在−10至45°C范围内保持稳定电化学行为。采用EZO@Zn负极的多层堆叠软包电池成功驱动微型无人机稳定飞行，充分验证了该界面策略在真实储能装置中的实际应用潜力。

图6. (a) EZO@Zn||MnO2和裸Zn||MnO2全电池在5 A g-1下的长期循环稳定性测试；(b) EZO @Zn|||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在5 A g-1电流密度下的长期循环稳定性测试；(c) EZO @Zn||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在不同电流密度下的速率性能比较；(d) EZO @Zn|||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在−10 ℃和1 A g-1条件下的性能；(e) EZO @Zn|||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在25 ℃和1 A g-1条件下的性能；(f) EZO @Zn|||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在45 ℃和1 A g-1条件下的性能；(g) EZO @Zn|||ZnI2和裸Zn|||ZnI2全电池在25 ℃和10 A g-1条件下的性能；(h) EZO @Zn|||ZnI2软包电池在1 A g-1电流密度下的长期循环稳定性测试；(i) 软包电池尺寸与应用示意图。

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文章链接

Dynamic Hydrogen-Bond Passivation Coupled with Defect-Guided Ion Transport for Stable Zn Anodes

http://doi.org/10.1002/adfm.75182

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通讯作者简介

李乐，副教授，全球前2%顶尖科学家（2025年），担任CSCIED科技核心评价数据库评委，Chinese Chemical Letters、Energy Materials、Chinese Journal of Structural Chemistry、Progress in Natural Science: Materials International、Energy Lab、Battery Energy、Carbon Neutralization、Materials Lab、《电池》、《陕西理工大学（自然科学版）》的青年编委，Molecules和Frontiers In Chemistry的客座编辑，担任Molecules期刊的Topical Advisory Panel Member。主要从事水系锌离子电池电极材料的规模化制备及产业化研发、低温及快充锂离子电池电极材料的开发、低成本高价值金属氧化物的绿色规模化制备、矿产资源的提纯与利用。目前主持陕西省重点研发计划重点项目子课题2项，企业重大横向1项，主持并完成中国博士后面上基金、陕西省科技厅、陕西省教育厅、企业横向等项目。以第一作者和通讯作者发表SCI论文60多篇，其中热点论文3篇，ESI高被引8篇，中科院一区文章20篇。

张丹，教授，全球2%顶尖科学家，陕西省高校科协青年人才，青年汉江学者，从事可再生水系电池关键材料在规模储能及生物医用领域的应用研究，以第一作者和通讯作者在Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Journal，Green Chemistry, Rare Metals, Chinese Chemical Letters等期刊上发表SCI论文50多余篇，其中热点文章2篇，高被引论文5篇。