苏州纳米所蔺洪振&江苏大学刘云建 合作CEJ：亚铁磁性尖晶石诱导高自旋电子结构助力无枝晶锌负极界面调控

共同第一作者：杨海风、刘方奇、陈弼贤

第一单位：中国科学院苏州纳米所

随着国家“双碳”战略的实施，太阳能、风能、水利发电等可再生清洁能源的覆盖率逐年上升，这些能源的波动性与周期性使得大规模电网储能系统在其并网运行的“削峰填谷”中变得至关重要。由于锌金属的高理论比容量（820 mA h g^-1、5855 mA h cm^-3）和合适的氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE），可充电水系锌金属电池（AZMBs）近年来引起了人们的极大兴趣，较低的成本与高安全性使得其有望应用于大规模储能系统体系中。然而，锌离子在电极/电解质界面上的无序行为，包括高的[Zn(H₂O)₆]²⁺脱溶能垒和缓慢的Zn²⁺迁移动力学，由此引发的析氢反应（HER）、锌腐蚀以及锌枝晶生长严重影响了AZMBs的性能，其广泛应用仍面临的巨大挑战。基于此，结合团队前期在电子离域催化去溶剂化调控加快离子传输动力学等研究基础（Adv. Mater. 2024, 36, 2402792；Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2304010；InfoMat 2024, 6, e12558；Adv. Mater. 2023, 35, 2302828；Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2305674；Angew 2023, 135, e202311693；Adv. Sci. 2022, 2202244；ACS Nano 2022, 16, 17729-17760；Nano Lett. 2022, 22, 8008；Nano Lett. 2021, 21, 3245-3253），自发生成的电极/电解质界面相（SEI）常常具有不均匀与离子传输缓慢等问题。因此，合理设计构造电极/电解质界面，调控离子沉积行为，增强其离子动力学性能具有重要意义。

图1 ZFO@Zn的界面设计与物性表征。

图2. ZFO相关的第一性原理计算结果

图2中第一性原理计算结果显示混合型尖晶石ZFO的结构缺陷诱导了Fe³⁺自旋分裂，费米能级处显示出电子离域现象，后续计算结果表明这该变化引起了混合型ZFO对Zn²⁺吸附的增强与[Zn(H₂O)₆]²⁺脱溶能垒的优化，此外，出于尖晶石结构的三维离子通道，Zn²⁺的扩散反应动力学也得到了有效促进。

图3. ZFO@Zn的电化学测试以及光谱表征

图4. ZFO@Zn沉积行为表征

飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）结果的三维重构图像上可以直观的看见裸锌表面出现凸起的枝晶，ZnOH−和SO³⁻离子的分布揭示了其被副产物覆盖的糟糕表面状况。与此相反的是，由ZFO人工界面层层保护着的锌负极显示出在其表面上平坦致密的锌沉积（图4a）。X射线衍射（XRD）与扫描电子显微镜（SEM）印证了这一结论，二维片状的沉积形貌结合002衍射峰的增强表明其诱导了（002）晶面的优先沉积（图4b-d）。在ZFO构建的界面磁场作用下，无序的界面电场得以重构，聚集的离子流在洛伦兹力的作用下发生偏转，尖端放电行为被有效抑制，锌离子穿过均匀分布的离子传输通道，可以实现快速稳定的3D沉积过程，避免枝晶的形成（图4f）。

图5.对称电池循环测试

得益于ZFO人工界面层优秀的动力学性能，其组装的半电池测试展现了出色的沉积/剥离可逆性，平均库伦效率超过99%。ZFO@Zn对称电池在长时间充放电测试中展现出3000小时的优秀循环寿命，并在此期间维持29 mV的极低电压极化。即使是面对30 mA cm^-2的超高电流密度，ZFO@Zn负极依然可以保持较低的极化过电位并正常工作。（图5）

图6. 钒基全电池测试

ZFO改性后的钒基全电池由于副反应的抑制显示出了更低的自放电率，而在倍率性能测试中ZFO@Zn全电池在大电流密度下显示出更高的容量，不同电流密度长循环测试下显示出了优秀的容量保持率，在5 A g^-1下循环3000圈仍维持了396.7 mA h g^-1的高容量（90.7%）。组装的大沉积容量软包在1 A g^-1下稳定循环150次后并成功为智能手机供电，进一步验证了ZFO人工界面层层在AZMBs实际应用领域的巨大潜力（图6）。

Edge-electron induced ferrimagnetic effect to accelerate interfacial desolvation kinetics toward dendrite-free Zn metal batteries, Haifeng Yang1, Fangqi Liu1, Bixian Chen1, Xiaomin Cheng, Qinghua Guan, Jing Dong, Teng Li, Lujie Jia, Wenbin Wang, Jing Zhang, Jiqiang Jia, Yongzheng Zhang, Canhuang Li, Yunjian Liu*, Hongzhen Lin*, Jian Wang* Chemical Engineering Journal, 2025, 

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164989

蔺洪振 研究员，现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。研究方向为原位界面和频振动光谱技术的开发与运用、高能量二次电池的电极设计与制备、石墨烯材料的相关运用。着重发展了原位和频振动光谱技术，搭建仪器设备和拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、JACS、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano和Nanoscale等物理化学及纳米研究领域国际重要期刊上发表学术论文110余篇。

E-mail: hzlin2010@sinano.ac.cn

刘云建 教授，现为江苏大学材料学院院长、博士生导师。中国有色金属学会物理化学委员会委员，中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员。目前主要从事新型锂/锌/钠离子电池及其关键材料，新能源材料及材料电化学，有色金属增值冶金的研究工作。主持国家自然基金项目4项，企业委托项目8项。课题组在权威期刊Angew. Chem.、 Adv. Funct. Mater.、Nano Energy.、Nano Lett.、Energy Storage Mater.、ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、J. Power Sources、ACS Sustainable Chem. Eng.、J. Energy Chem.等期刊上发表论文120余篇，其中高被引论文15篇，热点论文2篇。长期招聘锂离子电池，锌离子电池，钠离子电池及其关键材料方向的博士后（含外籍）

Email：lyjian122331@ujs.edu.cn

王健 博士，洪堡学者，现工作于德国KIT-HIU电化学能源研究所，研究方向为二次电池级联催化与原位表征。以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. 、Adv. Sci.、Energy Storage Mater.、InfoMat、ACS Energy Lett.等期刊发表论文50余篇，担任Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Adv. Funt. Mater.、Energy Storage Mater.等高水平期刊独立审稿人。授权13项国家发明专利，多次受邀在国际会议电化学 ECS meeting、欧洲材料大会（EMRS）、ChinaNano 2017和ChinaNano 2019等国际会议多次汇报研究进展。

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