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文 章 信 息
双生物聚合物界面协同调节去溶剂化动力学和Zn2+通量用于稳定锌负极
第一作者：彭子娱
通讯作者：李斌，赵宁宁，何章兴
单位：华北理工大学
论文DOI：10.1039/D5TA07517C
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研 究 背 景
水系锌离子电池（AZIBs）因其高容量和环境友好等优势，被视为极具潜力的下一代储能技术。然而，锌负极面临着枝晶生长以及析氢、腐蚀、钝化等副反应，严重阻碍了其大规模应用。为此，研究人员开展了大量研究致力于解决这些问题，主要策略包括构建界面保护层、引入电解质添加剂以及开发锌合金负极等。
构建界面保护层已被证明是提高锌负极界面稳定性的有效策略。理想的界面保护层应具有良好的离子传输能力、体积变化适应性、环境友好性、低成本以及易于制备等特性。基于上述要求，聚合物因其独特优势脱颖而出：一方面，聚合物分子链中的特定基团可通过调控锌离子沉积行为或抑制水活性来减少枝晶和副反应；另一方面，其通常表现出优异的界面适应性以应对充放电过程中锌负极的体积变化。目前，多种聚合物材料已被开发并应用于负极界面保护层的相关研究中。
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文 章 简 介
基于上述背景，来自华北理工大学的何章兴教授团队在Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Synergistic modulation of desolvation kinetics and Zn2+ flux in a dual-biopolymer interface for stable zinc anodes”的学术论文。该论文创新性地采用物理交联和简单涂覆的方法在锌负极表面制备了一种新型的壳聚糖（CS）/明胶（Gel）复合保护层（Zn@CS/Gel），CS/Gel保护层在促进锌离子均匀沉积和抑制副反应方面表现出优异的性能。CS/Gel层中丰富的极性官能团促进了锌离子的去溶剂化过程并捕获了活性H2O分子，减少了到达负极表面H2O分子的数量。此外，壳聚糖和明胶形成的交联网络作为锌离子的传输通道，通过离子限域效应实现锌的均匀沉积。得益于保护层的协同调控策略，Zn@CS/Gel对称电池在0.5 mA cm–2的电流密度下表现出4400 h的超长寿命和较低的滞后电压。
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图 文 导 读
示意图1. 锌离子在电极表面的沉积过程。
图1. (a) Zn@CS/Gel负极的制备流程图，(b) 三种负极的XRD谱图，(c) 壳聚糖、明胶和CS/Gel的FTIR光谱图，(d) Zn@CS/Gel负极的截面SEM图像，(e, f) Zn@CS/Ge负极的SEM和EDS图像，(g) 裸Zn和Zn@CS/Gel的接触角图像（0 s和20 s）。
图2. (a) 壳聚糖的分子结构示意图，(b) 壳聚糖中Zn2+和H2O与–OH和–NH2的结合能，(c) 不同对称电池的tafel曲线，（d, e）三种负极的LSV测试和对应的拟合曲线，(f) 在电解液中浸泡7天后裸Zn、Zn@CS和Zn@CS/Gel的XRD谱图，(g, h) 在电解液中浸泡7天后裸Zn和Zn@CS/Gel的SEM图像。
图3. (a) 不同对称电池的CA测试，(b) 不同Zn||Cu电池的成核过电位，(c) 三种Zn||Ti电池的CV曲线和对应的放大图，(d-f) 不同阶段中裸Zn、Zn@CS和Zn@CS/Gel负极的电流密度分布模拟图，(g, h) 不同锌负极在沉积期间的表面电流密度变化系数和表面平坦率。
图4. (a, b) 在2 mA cm−2电流密度下Zn||Cu电池的库伦效率及第50次循环时相应的电镀/剥离曲线，(c, d) 三种对称电池的倍率性能和对应的交换电流密度，(e) 在0.5 mA cm−2电流密度下对称电池的循环性能，(f) 性能比较图。
图5. (a) Zn||MnO2全电池的工作原理示意图，(b) 三种全电池的CV曲线，(c) 三种全电池的EIS曲线，(d) 全电池的倍率性能，(e, f) GITT曲线和扩散系数，(g) 在1.0 A g−1电流密度下全电池的循环性能，(h) 全电池循环后三种负极的XRD谱图，(i, j) 循环后裸Zn和Zn@CS/Gel的SEM图像。
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结 论 与 展 望
综上所述，本研究通过物理交联和简单涂覆的方法，构建了一种新型的复合保护层，实现了高性能的Zn@CS/Gel负极，并通过多物理场模拟和密度泛函理论计算揭示了界面层抑制副反应和锌枝晶的机理。首先，保护层中的官能团加速了[Zn(H2O)6]2+的去溶剂化过程，并捕获了活性H2O水分子，从而抑制了副反应的发生；同时，聚合物链构成的三维交联网络通过离子限域效应均匀了锌离子通量，从而使锌离子浓度和电流密度分布均匀化，减少了锌枝晶生成。因此，Zn@CS/Gel表现出优异的耐腐蚀性和超低的电荷转移电阻，其对称电池具有优异的循环稳定性，在0.5 mA cm–2下保持低滞后电压循环至4400 h，并在2.0 mA cm–2电流密度下循环1600 h。这项工作强调了在构建无枝晶和无副反应保护层的重要性。这种简单的物理交联和涂覆方法以及多功能的结构设计理念，为未来聚合物保护层的发展提供了设计思路。
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文 章 链 接
Synergistic modulation of desolvation kinetics and Zn2+ flux in a dual-biopolymer interface for stable zinc anodes
https://pubs.rsc.org/is/content/articlelanding/2026/ta/d5ta07517c
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通 讯 作 者 简 介
何章兴（通讯作者）：何章兴，教授，博士生/硕士生导师。主要从事能源与环境领域研究，核心方向为全钒液流电池、水系锌离子电池、水系锂离子电池及废水处理等。主持国家自然科学基金（面上/青年）、河北省自然科学基金（杰青/联合/青年）、河北省教育厅项目（青年拔尖人才/青年）、企业横向课题等科研项目。以第一/通讯作者在Progress in Materials Science、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Science Bulletin、Nano-Micro Letters、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、ACS Nano等SCI期刊发表论文100余篇，多篇成果入选ESI高被引论文、热点论文。兼任国家自然科学基金项目通讯评审专家，Frontiers in Chemistry期刊客座编辑，Rare Metals、Chinese Chemical Letters、物理化学学报等期刊青年编委。获河北省自然科学三等奖（R1）、中国可再生能源学会科技进步二等奖（R2）。
赵宁宁（通讯作者）：华北理工大学副教授，硕士生导师。主要致力于水系锌离子电池及新型功能化材料开发研究，主持国家自然科学基金青基、省自然科学基金联合基金重点、青基项目各1项。以第一或通讯作者在Journal of Materials Science & Technology、Journal of Energy Chemistry、Chemical Engineering Journal、Green Energy & Environment、Rare Metals等期刊发表SCI论文20余篇。
李斌（通讯作者）：华北理工大学讲师，研究生导师。主要致力于高性能水系锌离子电极界面的设计和制备，主持河北省自然科学基金、唐山市科技局项目各1项，以第一或通讯作者在Nano-Micro Letters、Science Bulletin、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Science & Technology等国内外期刊发表论文10余篇。
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第 一 作 者 简 介
彭子娱：华北理工大学化学工程学院2023级硕士，从事水系锌离子电池负极保护层设计和电解液添加剂工程，研究成果先后在Progress in Materials Science、Journal of Materials Chemistry A、Sustainable Chemistry for Energy Materials等学术期刊上发表。
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