厦门大学董全峰教授课题组AFM：构筑选择性自组装分子屏蔽层，实现高面容量锌金属负极单晶面生长

第一作者：王坤，王楚涛

通讯作者：董全峰*，袁汝明*

单位：厦门大学

实现高安全性、高能量密度和低成本的电化学储能系统，水性锌金属电池（ZMB）被认为是下一代大规模储能的有力竞争者。然而，锌金属电极在水性电解质中的沉积/析出行为仍然存在诸多基础和应用方面的问题，如其电极过程中的析氢反应、枝晶生长、可逆性差以及副反应的持续累积等，严重制约着锌金属电池的应用。这些问题与锌电极过程的基础热力学和动力学及锌金属的晶体学特性密切相关。

近日，来自厦门大学的董全峰教授课题组，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Regulating single-plane growth by selective self-assembly shielding molecule for ultra-high areal capacity Zn-metal batteries”的研究文章。该研究设计了一种选择性自组装反应，成功利用2,2'-二硫代二基二乙胺分子对金属锌不同晶面的反应能垒差异，在锌负极界面构建了选择性自组装分子单层（S-SAM）：一方面，S-SAM可以有效屏蔽锌的（100）和（101）晶面，实现（002）晶面的单一生长行为；另一方面，S-SAM可以有效阻挡水分子与界面的直接接触，结合（002）晶面的低反应特性，实现了对副反应的有效抑制。基于上述优势，S-SAM大幅提高了锌负极的使用寿命，即使匹配超高面容量（11 mAh cm-2）的正极条件下，全电池仍然实现了优异的长循环性能，显示出在锌金属电池实际应用中的巨大潜力。从模型上讲，利用选择性晶面屏蔽层调控金属负极，这不仅为调控锌负极晶面生长的机制提供了新的见解，更重要的是，从根本上克服了金属负极在循环过程中的成核不稳定性。这一概念和策略还可扩展到如锂、钠等金属电极体系，为设计高效、长寿命的电化学储能系统提供新的理论基础和实现途径。

在理论计算的指导下，通过锌与电解液中2,2'-二硫代二基二乙胺分子的自发反应构建了S-SAM。Cryo-TEM、XPS、TOF-SIMS等表征手段证实了S-SAM的单层特征（0.9 nm）。DFT计算表明，S-SAM与低表面能的（002）晶面相互作用力显著弱于（100）与（101）晶面，易于在（100）与（101）晶面上发生自组装并大幅减弱对锌原子的吸附能（-0.05 eV和-0.08 eV），形成选择性屏蔽层。

XRD、EBSD、极图等测试显示，S-SAM能够有效调控锌金属负极的晶面成核生长行为，在沉积10 mAh cm-2后，（002）晶面的比例超过了85%。在沉积后的（002）晶面上重新检测S-SAM的信号，发现其S、N特征元素峰消失，进一步证明了S-SAM的选择性自组装行为。

接触角测试发现，S-SAM可以有效提高锌负极界面对电解液的接触角。浸泡后锌片的XRD测试与静置阻抗测试表明，S-SAM由于其特殊的屏蔽作用，抑制了界面的腐蚀速度，有效提升了锌负极的实用性，析氢副反应的过电位也由-1.84 V提高至-1.88 V。

得益于S-SAM的多重作用，锌负极在高面容量循环中实现了优异的稳定性（1180 h）与库伦效率（99.33%）。得益于此，Zn//V2O5与Zn//NVO全电池数千次循环中保持了稳定的容量，面载量29 mg cm-2的Zn//V2O5全电池（实际循环容量超过11 mAh cm-2）实现了128圈的稳定循环，循环面容量与循环稳定性远超同类文献，为设计高循环面容量的电化学储能系统提供了新实现途径。

Regulating single-plane growth by selective self-assembly shielding molecule for ultra-high areal capacity Zn-metal batteries

董全峰教授简介：厦门大学特聘教授，博士生导师，中国电池工业协会常务理事。长期从事电化学储能系统及关键储能材料研究，主持重大项目、国家“973”计划课题、国家“863”计划项目、国家自然科学基金重点项目、省重点项目、厦门市重大专项等项目的研究。在聚合物锂离子电池方面以特有的聚合物固态化技术，实现具有高比能和高功率的单片电芯；对新一代高比能电化学体系开展了系统性工作，通过提出的“单位点活化”、“双位点耦合”、“双功能催化”、“增强吸附”等，发展高性能锂硫电池；构建多功能仿生结构氧电极，开发新型锂氧电池；为实现既具有高比能量又具有高比功率的“兼高”电化学储能目标，设计制备基于新概念的储能新材料、构筑电化学储能新体系。在国际重要期刊包括Nature Commun.、Sci. Adv.、Chem、JACS、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.等上发表SCI收录论文200余篇，获得国家发明专利30余件。曾获全国信息产业科技创新先进个人、全国电池行业首批技术专家、福建省科技进步奖等、厦门市科技进步奖等。

袁汝明副教授简介：厦门大学副教授，硕士生导师。长期从事均/多相催化与电池反应机理的跨尺度理论模拟研究，近年来特别聚焦于电化学界面动态演化机制与功能材料的理性设计，深度开展了锂硫、锂空气及钠金属电池等前沿领域的理论研究工作，并建立了“理论计算-原位表征-性能验证”的闭环研究范式。在Chem.，Adv. Funct. Mater.、ACS Nano, Adv. Energy Mater., Chem. Mater. 等重要学术刊物上发表 SCI 收录论文30余篇，作为项目负责人主持国家自然科学基金3项，并参与国家自然科学基金重大研究计划等项目。

王坤：博士毕业于厦门大学化学化工学院，现任福州大学未来膜技术学院助理研究员。长期从事金属负极界面研究，深度开展了锂金属、钠金属、锌金属等前沿领域的电极-电解液界面结构演化机制。在国际重要期刊包括Energy Environ. Sci.、Sci. Adv.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等上发表SCI收录论文多篇。