浙江农林大学胡勇教授、浙江师范大学王宏飞博士， CEJ：仿生电压门控离子整流平衡锌沉积/剥离动力学构筑无枝晶负极

第一作者：张天宇，杨峰

通讯作者：王宏飞*，胡勇*

单位：浙江农林大学，浙江师范大学

便携式电子设备与电动汽车的迅猛发展，对兼具成本效益与高可靠性的储能系统提出了更高要求，亟需超越依赖易燃有机电解质的传统锂离子电池。在众多替代技术中，锌离子电池因其本质安全的水系电解质特性而成为极具前景的解决方案。然而，锌金属负极在水系电解液环境中的电化学不稳定性严重制约了其实际应用。高极性水分子易与锌离子配位，并在锌剥离/沉积循环过程中引发副反应。这些不利电化学过程主要表现为竞争性析氢反应与负极腐蚀。更为关键的是，不可控的锌枝晶生长是锌离子电池体系面临的根本性挑战，直接导致库仑效率衰减与容量快速衰退。因此，通过合理设计负极/电解质界面反应机制，对开发具有长循环寿命的商业化锌离子电池至关重要。

近日，来自浙江农林大学的胡勇教授与浙江师范大学的王宏飞博士合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Balancing stripping/plating kinetics by bio-inspired voltage gating of ion flux rectification for dendrite-free Zn anodes”的研究文章。受神经元电压门控离子通道启发，该研究文章报道了通过一种电压门控负极保护层同时平衡锌沉积与剥离的动力学并整流界面离子通量进而实现无枝晶锌负极。

在剥离过程中，阳极界面呈正电场，VGPL发生动态重构，原位拉曼光直接观测到在剥离过程中，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的特征峰消失，说明的CTAB从保护层中动态脱离。剩余的羧甲基纤维素（CMC）修饰的界面使Zn-Zn结合能从–0.29 eV（裸锌）显著降低至–0.07 eV，这意味着锌原子更容易从电极表面溶出。分子动力学（MD）模拟显示，CMC与SO42–之间的相互作用势能始终为正值（排斥），从而可以抑制副产物的生成。

在电镀过程中，负极界面呈负电场，CTAB重新整合到保护层中，CTAB的垂直排列疏水烷基链指向电解质，CTAB的疏水界面为[Zn(H₂O)₆]²⁺的脱溶剂化提供了有利环境，DFT计算进一步显示，水合锌离子沿CTAB烷基链脱水的每一步能垒都更低。COMSOL模拟直观地展示了VGPL@Zn电极表面的Zn²⁺浓度梯度远小于裸锌电极，验证了保护层均化离子流、抑制枝晶的能力。

VGPL@Zn对称电池在5 mA cm^–2/1 mAh cm^–2条件下可实现5568小时超长循环寿命，电压滞后仅94 mV，远优于裸锌电池（530 小时失效）。原位光学显微镜显示，改性电极在循环后表面光滑无枝晶。将VGPL@Zn负极与Zn_0.25V₂O₅正极匹配的全电池表现出出色的循环稳定性，在10 A g^–1电流密度下经过1000次循环后仍保持87.1%的初始容量。

Balancing stripping/plating kinetics by bio-inspired voltage gating of ion f lux rectification for dendrite-free Zn anodes

胡勇教授简介：二级教授、博士生导师，英国皇家化学会会士，浙江省“万人计划”杰出人才。主要从事于先进功能材料与无机合成化学的基础研究，设计合成了一系列新型、高效、具有应用前景的光电功能纳米复合材料，开展了不同类型的异质功能纳米复合材料的可控合成、功能优化及协同增强效应研究。目前已发表SCI论文190余篇(其中IF>10,共91篇)，ISI检索被他人论文引用10000余次，H因子71，入选科睿唯安2022年度全球“高被引科学家”。其中以通讯作者身份在化学、材料领域国际重要期刊，如：Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等上面发表一系列文章，37篇入选ESI高被引论文，8篇入选热点论文，1篇入选2018年中国百篇最具影响国际学术论文，撰写英文著作章节3篇，获得授权发明专利20件，并推动1件专利产业化。作为第一完成人获中国发明协会创业奖创新奖(一等奖)1项、浙江省自然科学二等奖2项、浙江省高等学校科研成果奖三等奖1项、中国产学研合作创新奖(个人)1项。

课题组网址：https://yonghu.zjnu.edu.cn/

王宏飞博士简介：浙江师范大学讲师、硕士生导师。2021年6月毕业于中国科学技术大学化学与材料科学学院(导师：闫立峰教授)，获得物理化学-理学博士学位。2021年7月入职浙江师范大学并加入胡勇教授课题组，从事水系电池研究工作。长期聚焦于新型水系储能器件电极、电解质和隔膜材料的研究。以第一作者或通讯作者身份在化学与材料相关领域的国际知名期刊，如：Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等杂志发表学术论文30余篇，获中国发明协会创业奖创新奖(一等奖)1项，参与主持国家级和省部级课题5项。