南开大学陶占良教授团队：LUMO能级引导多功能梯度SEI，实现宽温域高性能锌离子电池- 大数跨境

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南开大学陶占良教授团队：LUMO能级引导多功能梯度SEI，实现宽温域高性能锌离子电池

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2026-03-23

导读：南开大学陶占良教授团队：LUMO能级引导多功能梯度SEI，实现宽温域高性能锌离子电池

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文章信息

LUMO 导向设计实现多功能梯度 SEI ，用于宽温锌离子电池

第一作者：石梦瑶、查正太、黎福

通讯作者：陶占良*

单位：南开大学化学学院

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研究背景

水系锌离子电池（ZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好等优势，被认为是下一代大规模储能技术的理想候选者。然而，锌负极在实际应用中面临着巨大挑战：水系电解液中不可避免的析氢反应（HER）、腐蚀以及不可控的枝晶生长，导致电池库仑效率低、循环寿命短。这些问题根源在于电极/电解液界面处H₂O的高度活性。

在锌负极表面构建稳定的固态电解质界面（SEI）是解决上述问题的有效策略，不同的SEI组分具有不同的保护效果。传统的单一组分SEI难以同时满足高离子电导、抑制析氢和诱导均匀沉积的要求。能否设计一种结构精巧、功能分化的“梯度SEI”，让不同组分各司其职，协同保护锌负极呢？如果能，又该如何精确控制这种复杂结构的形成？

本篇研究通过LUMO（最低未占分子轨道）能级调控引导电解液的顺序分解，从而构建一个层次性的多功能SEI，为解决该类问题提供了一个思路。

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文章简介

南开大学的陶占良教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Multifunctional Gradient SEI Design via LUMO-Guided Assembly toward Wide-Temperature Zinc-ion Batteries”的研究文章。该文章巧妙利用电解液组分间LUMO能级的差异，引导其在电化学过程中顺序分解，在锌负极表面原位构筑了一层由外层磷酸锌（Zn3(PO4)2）和内层氟化锌（ZnF2）组成的双层多功能梯度SEI。这种精妙的梯度SEI设计，让外层Zn3(PO4)2负责快速传输锌离子并锚定水分子，内层ZnF2则负责诱导锌离子均匀沉积，协同解决单一SEI功能不足的难题。

图1. 多功能梯度SEI设计机制的示意图。

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本文要点

要点一：基于LUMO引导的顺序分解实现了原位精确的梯度SEI组装

基于分子轨道理论，创新性地提出“LUMO能级引导顺序组装”策略。DFT计算表明，在设计的Zn(BF4)2-TMP-FDMA电解液中，FDMA的LUMO能级低于TMP，因此在电化学过程中优先还原分解，在锌负极表面形成内层ZnF2；随后TMP分解，在外层生成Zn3(PO4)2。XPS深度剖析与HRTEM表征证实了这一“内ZnF2-外Zn3(PO4)2”的梯度结构，实现了SEI组分的空间有序排列与功能分区。

图2. a) TMP和FDMA的分子结构、静电势(ESP)图以及LUMO/HOMO能级。b) 不同电解液的挥发性。c) 不同电解液的电化学稳定窗口。d) 显示官能团变化的FTIR光谱。e) Zn2+与不同物种之间的结合能。f) 不同分子在Zn(002)晶面上的吸附能。g) 不同电解液体系的MD模拟结果：（左）配位数，（中）分布结构快照，（右）Zn2+溶剂化结构。

要点二：梯度型 SEI：内部 ZnF2 实现均匀的镀层；外部 Zn3(PO4)2 抑制HER

该梯度SEI实现了组分的功能互补与协同增效：内层ZnF2均匀化界面电场，诱导Zn2+沿(002)晶面实现致密水平沉积，抑制枝晶生长；外层Zn3(PO4)2作为快离子导体加速Zn2+输运，同时其PO43-基团通过强氢键锚定界面水分子，显著提高析氢反应能垒。SEM、XRD及COMSOL模拟一致证实，该梯度结构有效抑制了副反应与枝晶形成，界面电场分布均匀。

图3. a) Zn2+-不同物质的LUMO/HOMO能级。b) 不同电解液在Ti电极界面分解反应的CV曲线。c) TMP-FDMA体系在循环过程中稳定的EIS响应。d) 反应后锌负极表面的FTIR谱图。e) 循环后锌负极的HRTEM图像。f) TMP-FDMA体系循环后的HAADF-STEM图像。循环后锌负极的XPS谱图：g) P 2p 和 h) F 1s。i) 电解液组分分解机理图。j) 梯度SEI形成机理图。

要点三：Zn||NVO全电池在宽温域（-20 ~50 °C）实现稳定充放电循环

得益于梯度SEI的稳定保护，Zn||NVO全电池在-20 °C至50 °C的宽温域内均表现出优异的电化学性能。在-20 °C低温下，电池稳定循环300圈，容量保持良好；在50 °C高温下，循环2000圈后容量保持率仍超过50%。DSC测试表明，有机电解液体系在-120 °C下仍无结晶，为宽温域应用提供了基础保障。

图5. a) 不同电解液体系中Zn||Zn半电池的循环性能。b) Zn||Zn半电池的倍率性能。c) Zn||Zn半电池的深放电循环。d) Zn||Cu半电池的长循环性能。e) 采用Aurbach方法测得的Zn||Cu半电池库伦效率。f) Zn||NVO全电池的长循环性能。g) Zn||NVO全电池的倍率性能。

要点四：在不同恶劣条件下仍能保持高性能（N/P = 2.15，高负载，软包电池）

为贴近实际应用场景，在严苛条件下对电池性能进行了系统评估：在N/P比为2.15、NVO正极负载量高达16.5 mg cm-2的条件下，全电池仍稳定循环200圈，平均库仑效率接近100%。自放电测试表明，72h后容量保持率约90%。基于该体系组装的软包电池同样展现出稳定的循环性能，有效抑制了析氢导致的胀气问题，充分证实了该策略的实际应用潜力。

图6. a) 采用干法电极制备的高负载NVO正极全电池性能。b) Zn||NVO全电池的自放电测试。c) Zn||NVO全电池在不同温度下的电化学性能。d) Zn||NVO全电池在-20 °C的低温性能。e) Zn||NVO全电池在50 °C的高温性能。f) 软包电池的循环性能（上）及相应的照片（下）。