如何设计多尺度界面协同保护锌阳极？有这篇综述就够了！

第一作者：刘月鑫

通讯作者：刘月鑫*，马中青*，胡勇*

单位：浙江农林大学

随着可再生能源的快速发展，开发安全、低成本、高容量的储能系统已成为能源转型的迫切需求。水系锌离子电池（AZIBs）因其本质安全、环境友好、理论容量高等优势被视为极具前景的下一代储能技术。然而，锌金属负极在实际应用中面临严峻挑战：锌离子在沉积过程中极易形成枝晶，可能导致电池短路；同时，电解液中的水分子会引发析氢反应和腐蚀副反应，造成活性锌损失和库仑效率下降。传统的单一界面调控策略（如构建人工SEI层、电解液改性等）往往只能针对某一特定问题，难以在复杂且动态变化的电化学环境中实现多目标协同优化，其保护效果有限且容易在长期循环中失效。因此，发展能够同时调控离子传输、电场分布、成核行为和界面化学环境的多尺度界面工程，已成为突破锌负极瓶颈、推动AZIBs商业化的关键研究方向。

近日，来自浙江农林大学的胡勇教授与马中青教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Multiscale Interfacial Regulation for Stable Zinc Anodes: From Fundamental Mechanisms to Practical Applications”的观点文章。该观点文章全面总结了涵盖多物理场优化、锌沉积取向和电解质溶剂化结构的多尺度策略。系统地介绍了多尺度策略应用于锌箔阳极、锌粉阳极、锌宿主阳极、隔膜和水凝胶电解质的最新进展，重点关注其设计原则、潜在机制和特定场景的适用性。

全面概括了不同的界面系统过调节界面能垒来抑制枝晶成核和生长，以及通过优化界面化学反应动力学来抑制副反应这两种双重机制的分析。

通过构建多层、梯度或Janus界面结构，协同调控锌离子沉积、抑制枝晶并减少副反应。

涵盖锌箔阳极、锌粉阳极、锌宿主阳极、隔膜及水凝胶电解质，采用预制、原位构建、分子组装等方法实现多尺度界面调控。

多尺度策略能同时解决枝晶、腐蚀、析氢等问题，但面临界面稳定性、工艺复杂性和规模化生产等挑战。

结合原位表征与理论计算，深入理解多尺度界面调控的动态过程。开发新型功能分子、聚合物与复合材料，实现更智能、自修复的界面层。

Multiscale Interfacial Regulation for Stable Zinc Anodes: From Fundamental Mechanisms to Practical Applications

胡勇教授简介：二级教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，省级杰出人才，省有突出贡献中青年专家，俄罗斯自然科学院外籍院士。2006年6月获得中国科学技术大学化学系无机化学专业博士学位，2006年至2008年期间在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作。主要从事于先进功能材料与无机合成化学的基础研究，在无机纳米复合结构的构筑方法、组装设计、基于微结构的性能表征、应用探索及协同增强效应等方面取得一定的研究进展。设计合成了一系列新型、高效、具有应用前景的光电功能纳米复合材料，开展了不同类型的异质功能纳米复合材料的可控合成、功能优化及协同增强效应研究。目前已发表SCI论文200余篇 (其中IF>10, 共95篇)，H因子72，入选科睿唯安2022年度全球“高被引科学家”。其中以通讯作者身份在化学、材料领域国际重要期刊，如：Nat. Commun. (2) , Chem (1), Angew. Chem. Int. Ed. (7), Energy Environ. Sci. (2), Adv. Mater. (1), Adv. Energy Mater. (9), Adv. Funct. Mater. (3), ACS Nano (1), ACS Catal. (4), Nano Energy (2), Carbon Energy (2), J. Energy Chem. (2), Small (7), Small Sci. (2), J. Mater. Chem. A (14), Appl. Catal. B-Environ. (10), Chem. Eng. J. (13), Adv. Sci. (1), Adv. Powder Mater. (1), Energy Storage Mater. (1), Mater. Horiz. (1), Compos. Part B (2), Coord. Chem. Rev. (5), Mater. Today (1), Mater. Sci. Eng. R-Rep. (1)等上面发表一系列文章，38篇入选ESI高被引论文，8篇入选热点论文，1篇入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文，撰写英文著作章节3篇，获得授权发明专利20件，并推动1件专利产业化。主持并完成多项国家自然科学基金和浙江省杰出青年基金，作为第一完成人获中国发明协会创业奖创新奖（一等奖）1项、浙江省自然科学二等奖2项、浙江省高等学校科研成果奖三等奖1项、中国产学研合作创新奖（个人）1项。作为第一指导教师获第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖1项、浙江省第十七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖1项，被中国共产主义青年团中央委员会评为优秀指导教师并予以通报表扬。目前担任《Advanced Powder Materials》特邀编委以及多种国际一流期刊审稿人。

马中青教授简介：博士，教授，博士生导师，入选浙江省高层次人才青年人才、中国科协“青年人才托举工程”、国家林草局“青年拔尖人才”、浙江农林大学“青年英才培养计划”，入选爱思唯尔中国高被引学者（2024年~至今），美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（2022-至今），国家科技进步二等奖第七完成人，中国国际大学生创新大赛金奖优秀指导老师。主持国家自然科学基金面上和青年基金项目，浙江省“尖兵”“领雁”科技计划项目（主持1项，子课题2项）、中国科协“青年人才托举工程”项目、国家林草局科技创新“青年拔尖人才”项目、浙江省自然科学基金探索项目和青年基金项目、浙江农林大学基本科研业务费-青年优秀人才培养专项、中国和浙江省博士后基金项目等15项科研项目。以第一或通讯作者在Chem. Eng. J.、J. Clean. Prod.、Energ. Convers. Manag.、Bioresource Technol.、Energy和Fuel等期刊发表学术论文100余篇，含8篇“ESI高被引论文”，2篇“ESI热点论文”，单篇论文最高引用731次，11篇论文的引用超过150次，Google Scholar总计被引5892次，H指数38，连续3年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（2022~2024年）；授权发明专利7项，参编《木材利用基础（双语版）》、《Sustainable Catalyst for Biorefineries》、《Hydroprocessing Catalysts and Processes》等教材和英文专著3部，参与制定《竹炭板》、《竹炭基本物理化学性能试验方法》等国家和行业标准2项。

刘月鑫博士简介：江苏海安人，工学博士，特设副教授。2024年6月毕业于同济大学材料科学与工程学院，获材料与化工专业博士学位，同年进入浙江农林大学化学与材料工程学院任教，研究方向为水系锌离子电池正/负极材料、水系锌离子电池电解液添加剂、超级电容器电极材料、半导体材料以及锂电池固态电解质。以第一（含共同）/通讯作者在Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Coordin. Chem. Rev.、Nano Energy、J. Energy Chem.、Cement Concrete Copm.、Chem. Eng. J.、Small、J. Mater. Chem. A、Carbon等期刊上发表文章三十余篇，其中EIS高被引论文5篇，H因子为21。

主要研究方向：纳米催化与能源转化

本组的研究目标是基于无机合成化学设计和合成新型的无机纳米结构，探索其在能源存储与转化领域（光催化CO2还原、光解水、电解水、燃料电池、金属-空气电池、锌离子电池等方面）的应用，揭示纳米结构组分、形貌及结构缺陷与性能之间的内在关系，开发先进的光/电催化和超级电容材料。经过12年的发展和积累，我们组形成了以下三个稳定的研究方向。

燃料电池、金属-空气电池和水分解系统的绿色纳米技术的发展，已成为解决现代社会日益增长的能源需求和环境问题的一个有前途的途径。在上述系统中，析氢(HER)、析氧(OER)和氧还原反应(ORR)是重要的半反应，决定了装置的能量储存与转换过程。为了促进这些反应的进行，急需发展稳定的、电化学活性优异的电极材料。其中，贵金属催化剂具有优异的电催化性能。然而，传统贵金属的价格昂贵、资源稀缺且稳定性差，显著地阻碍了大规模的商业应用。因此，开发具有多功能/双功能的廉价纳米催化剂是目前电催化领域的研究热点。

水系锌离子电池因其理论比容量高、氧化还原电位低、安全性高、资源丰富，有潜力成为一种理想的储能器件。然而，水系锌离子电池距离实际应用还存在着不小的差距。在正极端，由于锌离子的水合半径大、电解液中质子的腐蚀，正极材料存在着溶解、结构崩塌以及电导率差等问题，这会导致循环稳定性较低。而对于锌金属负极，锌枝晶的生长可能导致电池内部短路，影响电池的寿命和安全性。因此，研究如何开发具有高稳定结构的正极材料以提高电池的能量密度和循环稳定性，以及抑制锌枝晶的生长、抑制负极端的析氢反应是当前的一个重要方向。