新加坡国立大学杨会颖教授 ACS Energy Letters：无定形电极如何重塑水系锌离子电池- 大数跨境

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新加坡国立大学杨会颖教授 ACS Energy Letters：无定形电极如何重塑水系锌离子电池

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2026-01-30

导读：新加坡国立大学杨会颖教授 ACS Energy Letters：无定形电极如何重塑水系锌离子电池

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文章信息

Recent Advances in Amorphous Electrode Materials for Aqueous Zinc-Ion Batteries

第一作者：宋浩斌，崔仰峰，王月

通讯作者：杨会颖*

单位：新加坡国立大学

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研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好性，被认为是面向大规模储能的理想候选体系。然而，其实际应用长期受限于一系列关键瓶颈，包括：（1）锌负极的不均匀沉积与枝晶生长；（2）水诱导的腐蚀与析氢副反应；（3）正极材料中 Zn²⁺ 传输迟缓、结构坍塌与活性物质溶解等问题。

尽管晶态材料在 AZIBs 中被广泛研究，但其刚性晶格、各向异性扩散通道以及对体积变化的低容忍度，往往在长循环和高倍率条件下引发结构破坏与界面失效。相比之下，无定形材料因其短程有序、长程无序的结构特征，展现出各向同性离子传输、丰富缺陷位点以及优异的机械柔顺性，为突破上述瓶颈提供了新的材料设计范式。

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文章简介

近日，来自新加坡国立大学的杨会颖教授团队在 ACS Energy Letters 上发表题为“Recent Advances in Amorphous Electrode Materials for Aqueous Zinc-Ion Batteries” 的综述文章。

该工作系统总结了近年来无定形材料在水系锌离子电池中的研究进展，从结构特征、表征方法、电化学行为与界面机制等多个层面，全面梳理了无定形正极、负极及界面层在提升 AZIBs 性能方面的独特优势，并进一步提炼了结构无序度—离子动力学—界面稳定性之间的内在关联，为下一代高性能水系锌电池的材料设计提供了清晰的理论框架与发展方向。

图1. 水系锌离子电池中正负电极面临的挑战。

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本文要点

要点一：无定形材料的结构特征与表征方法

无定形材料缺乏长程有序晶格，但在短程尺度上仍遵循基本化学键合规则，具有丰富的低配位位点、悬挂键和结构缺陷。文章系统比较了无定形与晶态材料在结构和功能上的差异，并强调无序并非二元状态，而是一个连续可调的结构谱系。

作者进一步总结了多种关键表征手段，包括：XRD、XAS（XANES/EXAFS）、PDF、Raman、SAED/HRTEM 以及 DSC 等，指出只有通过多尺度、互补表征，才能可靠地区分不同程度的无定形结构，并将其与电化学性能建立定量关联。

图2. 无定型材料与晶体材料的结构特征对比以及从晶体结构到无定型结构的变化示意图。

要点二：无定形正极材料在 AZIBs 中的优势与挑战

在正极侧，无定形材料通过各向同性 Zn²⁺ 扩散通道与柔性配位网络，显著降低离子迁移势垒、缓解插层应力并提升赝电容贡献。文章重点综述了：（1）无定形钒基正极：通过结构无序化和有机/杂原子调控，实现快速动力学与高容量，但需应对水解溶解问题；（2）无定形锰基正极：利用缺陷工程与异质结构加速反应动力学，同时平衡 Jahn–Teller 失稳与 Mn 溶解；（3）其他无定形体系（如导电聚合物、硫化物等），拓展了 Zn²⁺ 储存机理的多样性。

文章强调，结构无序与化学稳定性之间存在本征权衡，最优设计需在动力学增强与结构/界面稳定之间取得平衡。

图3. 无定型正负电极材料与晶体正负电极材料在AZIBs中的作用机理示意图。

要点三：无定形材料在锌负极与界面调控中的关键作用

在负极侧，无定形材料被广泛用于人工保护层、原位 SEI 以及锌宿主结构。其连续、无晶界的结构特征有助于：（1）均匀 Zn²⁺ 成核与沉积；（2）平滑界面电场分布，抑制枝晶生长；（3）提高界面机械稳定性，降低副反应。

文章特别指出，无定形 SEI 相比晶态副产物，往往具备更低的 Zn²⁺扩散能垒和更高的结构完整性，是提升锌负极可逆性的关键方向

图4. 无定型负极材料与晶体负极材料作用机理示意图。

要点四：前瞻与设计原则

作者在总结中提出，无定形材料应作为一种可精细调控的结构自由度。未来研究需要：（1）定量描述无定形程度与性能之间的关系；（2）结合原位/准原位表征与多尺度计算；（3）协同推进无定形结构设计、界面工程与电解液调控。

通过这种结构—界面—电化学协同设计，有望实现兼具高安全性、高倍率与长寿命的水系锌离子电池体系。

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文章链接

Recent Advances in Amorphous Electrode Materials for Aqueous Zinc-Ion Batteries

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c03711

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通讯作者简介

杨会颖教授简介：杨会颖（Hui Ying Yang）教授新加坡国立大学材料科学与工程系教授、博士生导师，国际知名储能材料专家。2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年，并于2016年升任终身副教授，2022年升任终身教授。现任东盟工程院院士Fellow of ASEAN Academy of Engineering and Technology (FAAET)，英国皇家化学学会会士 (Fellow of royal society of chemistry (FRSC)) ，新加坡工程师学会会士 (Fellow of Institution of Engineering Singapore (FIES)) ，美国材料学会，美国工程学会，新加坡物理学会，新加坡化学学会及材料学会会员。她荣获多项国际科技奖项，其中包括2013年获新加坡杰出青年工程成就奖、2013年获陈嘉庚青年发明家奖、2014年获美国工程学会杰出青年奖及 2018年获新加坡物理学会纳米科技奖，2023年新加坡杰出女化学家奖等。主持多个国际及新加坡国家重大项目研究课题工作。迄今为止，在Nat. Commun., Sci. Adv., Chem, Matter, Adv. Mater, Energy Environ. Sci等期刊上发表 SCI论文 400 余篇，她引超过31000 次，H指数突破100。

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第一作者简介

宋浩斌，新加坡科技设计大学-新加坡国立大学（SUTD-NUS）双学位博士生。以第一作者及共同第一作者身份在 Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、ACS Energy Letters 等期刊发表多篇研究论文，研究方向聚焦于水系电池电极材料与电解液界面调控。