蔡钊教授，Small研究论文：在可逆锌离子溶剂化过程中的非水致锌离子传导提升水系锌金属电池可持续性

第一作者：曹宇喆

通讯作者：蔡钊*

单位：中国地质大学（武汉）

水系锌金属电池凭借低成本和本质安全等核心优势，成为规模化可再生能源储存的潜在解决方案。然而，锌负极材料长期受困于两大核心界面问题：一是水系电解液中[Zn(H₂O)₆]²⁺的强溶剂化结构，其高去溶剂化能垒容易导致枝晶生长；二是溶剂化水分子引发的腐蚀与析氢副反应。上述问题成为制约锌负极材料和水系锌金属电池性能的关键瓶颈。现有策略提出构建亲锌疏水界面以降低[Zn(H₂O)₆]²⁺的去溶剂化能垒，并通过排斥水分子抑制水诱导副反应。然而，此界面特性容易导致锌离子溶剂化能垒升高和锌离子从电极界面到电解液方向的扩散受限，使水系锌金属电池放电性能下降。上述界面难题的根本在于，低水含量的实现与高锌离子传导能力的提升之间存在难以调和的矛盾。构建非水致锌离子传导新路径，是解决这一困境的核心突破口。为此，本研究通过构建聚多巴胺（PDA）-Nafion双层界面，在电极界面构建贫水环境，同时实现了非水致锌离子传导，完成了可逆锌离子溶剂化/去溶剂化过程的协同调控，从根源上解决了水系锌金属电池的可逆性难题。

近日，中国地质大学（武汉）蔡钊教授团队在国际知名期刊 Small 上发表题为 “Promoting Non-Water-Induced Zn²⁺ Conduction During Reversible Zn²⁺ Solvation Processes Toward Sustainable Aqueous Zn Metal Batteries” 的研究论文。该工作通过在锌金属负极表面构建聚多巴胺（PDA）-Nafion 双层界面，成功实现了电极贫水界面的非水致锌离子传导，为高性能水系锌金属电池的开发提供了新方案。

水系锌金属电池中锌离子的传导主要依赖于水系电解液，但是水作为锌离子的传导介质会同时引发腐蚀、析氢等副反应。传统解决策略多聚焦于构建亲锌疏水界面，但是忽视了疏水界面会阻碍锌离子的溶剂化过程和亲锌界面会阻碍锌离子从电极表面向电解液的扩散，使得实现低水含量和高锌离子传输不可兼得。本论文设计利用不同材料与水亲和力的不同构建了PDA-Nafion的有序界面。原位拉曼表征证实，PDA-Nafion界面成功在锌负极表面构建了贫水环境，其在充电/放电过程中均未检测到明显水分子信号，且清晰捕捉到 Zn²⁺与磺酸盐的配位特征峰，证明非水致锌离子传导机制的形成。该设计实现三重性能突破：一是锌离子电导率达23.4 mS cm⁻¹，是传统玻璃纤维隔膜的2 倍以上；二是锌离子迁移数高达 0.95，传导效率显著优于已报道的各类界面材料；三是溶剂化水分子引发的腐蚀副反应被抑制 91.1%，析氢速率从10.1 μL h⁻¹ 降至0.9 μL h⁻¹。

常见的界面改性策略聚焦于如何避免[Zn(H₂O)₆]²⁺的高去溶剂化能垒和避免电极界面与水的直接接触，构成“亲锌疏水”界面从而抑制腐蚀等副反应。但是这些改性策略忽视了在放电过程中，由于疏水和去溶剂化作用界面的存在，锌离子的溶剂化过程同样被抑制，大大降低了电池的循环可逆性。为解决上述问题，该工作设计了一种PDA-Nafion双层有序界面，其上层为亲水PDA层，下层为疏水Nafion层。在充电过程中，上层PDA亲水层吸附水合锌离子，下层Nafion疏水层实现锌离子的去溶剂化并通过磺酸根阴离子实现锌离子的无水传导通道，同时在放电过程中由于上层PDA亲水，锌离子在界面更容易实现溶剂化脱出过程，实现了可逆的锌离子溶剂化/去溶剂化过程。

在对称电池测试中，PDA-NAF@Zn 电极凭借高效可逆的锌离子溶剂化/去溶剂化过程，展现出卓越的循环稳定性：1 mA cm⁻²的电流密度及1 mAh cm⁻² 电量条件下稳定循环 1000 h，过电位仅22 mV；即使在5 mA cm⁻²的电流密度及5 mAh cm⁻² 电量的苛刻条件下，仍能稳定循环500 h，远超商用锌阳极（仅50 h）。与商用MnO₂正极组装的软包电池，在1 C 倍率下循环100 次后，容量保持率达96.7%，库仑效率高达 99.97%，而商用锌阳极组装的电池容量保持率仅43.1%，充分验证了该界面设计的实际应用潜力。

该工作提出的“非水致锌离子传导+构建贫水界面”调控策略，为水系锌金属电池界面设计提供了全新范式。未来可进一步拓展至其他水系电池体系，结合低成本界面材料开发与原位表征技术，深化可逆离子溶剂化/去溶剂化结构动态演化机制研究，推动水系储能器件向更高能量密度、更长循环寿命方向发展，加速其在大规模可再生能源储存中的商业化应用。

Promoting Non-Water-Induced Zn²⁺ Conduction During Reversible Zn²⁺ Solvation Processes Toward Sustainable Aqueous Zn Metal Batteries

蔡钊教授简介：中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授，“地大学者”青年拔尖人才。主要从事新能源材料与器件的基础应用研究，目前以第一/通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际顶级期刊和Sci. Bull., eScience等国产旗舰期刊发表论文40余篇，被引8000余次，其中ESI高被引论文8篇，热点论文2篇。2023-2025年连续入选斯坦福大学前2%顶尖科学家榜单，获Sci. Bull., Nano Res.等期刊优秀论文奖，Carbon Future, Nano Mater. Sci.等期刊优秀青年编委，eScience等期刊优秀审稿人奖。主持国家自然科学基金等省部级以上项目7项，获国家发明专利5项，合著专著2部。

曹宇喆，中国地质大学（武汉）材料与化学学院2024级硕士，研究方向聚焦于储能与催化材料