西工大孔杰/马越，基于多孔有机笼的仿生纳米通道：一种用于水性锌电池的可定制的离子筛分界面策略

第一作者：王治桥 博士

通讯作者：马越 教授，孔杰 教授

单位：西北工业大学

水系锌离子电池（RAZBs）因其固有的高安全性和低成本优势而被视为极具前景的储能技术，但在实际应用中，其正负极界面均面临着严峻的稳定性挑战。在负极侧，水合锌离子（）中溶剂水分子容易引发析氢反应、副产物沉淀以及锌枝晶的生长，特别是在高面容量和深放电深度下，这些副反应会导致锌阳极的快速失效和低利用率。在正极侧，传统的金属氧化物（如）在循环过程中容易发生过渡金属溶解和晶格结构崩塌，而新兴的碘正极则受困于多碘离子的穿梭效应，导致严重的自放电问题。目前的界面改性策略往往依赖较厚的涂层，难以在抑制副反应的同时兼顾快速的离子传输动力学。受生物细胞膜利用离子泵和选择性通道实现高效、定向离子传输的启发，本研究旨在通过多孔有机笼（POCs）构建仿生纳米通道，以解决上述多尺度离子传输难题。

本文提出了一种基于多孔有机笼（POCs）的通用型仿生界面策略，利用其“混合搭配”的合成特性，精准调控纳米通道的孔径尺寸、电荷性质及离子亲和力，从而实现对电池双界面的定向优化。在锌负极表面，研究团队构建了内嵌银（Ag）纳米团簇的RCC3型POC层（ACE），这层仅1.6 µm厚的超薄界面模拟了生物膜的“离子泵”机制：利用RCC3的亚纳米孔径（5.8 Å）通过位阻效应筛除大尺寸的水合层，仅允许脱溶剂化的 （1.5 Å）通过，同时利用亲锌的Ag位点加速离子的跨膜传输。在正极侧，该研究开发了电荷增强型POC涂层，利用静电相互作用“对症下药”：对于碘正极，采用带正电的  涂层通过静电排斥阻挡多碘离子（）穿梭；对于钒正极，则利用带负电的  涂层螯合溶解的钒离子（），从而抑制活性物质流失。

该研究通过实验与理论计算充分验证了POC基仿生界面的卓越性能。首先，ACE负极极保护层成功将  的脱溶剂化能垒和传输阻力降至最低，使得锌阳极在10 mA cm²的大电流密度下实现了超过1300小时的无枝晶稳定循环，即使在68.4%的高放电深度（DOD）下也能保持优异的稳定性。

其次，针对正极的电荷筛分策略效果显著：带正电的  涂层使碘阴极在55度高温下的自放电率降低了71.4%，并保持了长达1000次的循环寿命；带负电的  涂层则抑制了98.8%的钒溶解，帮助  电池在3000次循环后仍保持87%的容量。最后，该策略展现了极强的普适性和模块化设计潜力，通过调整POC的化学组成（如改变孔径或内嵌Mg、Sn、Cu等不同金属团簇），该方法已被成功推广至锂金属和钠金属电池的负极保护中，为下一代高性能储能器件提供了一种通用的界面设计范式。

具有定制化学特性的多孔有机笼示意图：I)针对阳离子去溶剂化过程的孔径限域；II)具有不同zeta电位的官能团，通过静电相互作用耦合带电物种；以及III)封装在POCs内的亲锂、亲锌和亲钠金属纳米团簇，用于增强阳离子亲和力。

孔杰教授简介：国家杰青，洪堡学者，教育部新世纪优秀人才，陕西省“三秦学者”特聘教授及创新团队带头人，英国材料矿物与矿业学会会士， 2021-2024连续4年入选“科睿唯安”全球高被引科学家；现担任超常条件材料物理与化学教育部重点实验室副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室主任、中铁高铁电气装备股份有限公司-西北工业大学先进高分子材料联合实验室主任；主要从事超支化高分子设计合成及在高温吸波材料、透波介电材料、陶瓷前驱体、能源材料中应用的研究工作；以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等期刊发表论文140余篇，引用12000余次，授权发明专利30余件，获教育部技术发明奖二等奖（排名第1）、陕西省教学成果奖二等奖（排名第1）等省部级奖5项；兼任中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专业委员会常务副主任、学术交流工作委员会副主任等。

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