沈阳化工大学周明东教授团队CEJ：原位构建循环寿命达5000小时的有机/金属桥接界面修饰的锌金属阳极- 大数跨境

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沈阳化工大学周明东教授团队CEJ：原位构建循环寿命达5000小时的有机/金属桥接界面修饰的锌金属阳极

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2025-06-21

导读：沈阳化工大学周明东教授团队CEJ：原位构建循环寿命达5000小时的有机/金属桥接界面修饰的锌金属阳极

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文章信息

原位构建循环寿命达5000小时的有机/金属桥接界面修饰的锌金属阳极

第一作者：宫哲

通讯作者：孙娜*，周明东*，朱凯*，孙亚光*

单位：沈阳化工大学、哈尔滨工程大学、辽宁石油化工高等专科学校、沈阳工业大学

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研究背景

近年来，水系锌离子电池（AZIBs）因其卓越的理论容量（5855 mAh cm^-3）、固有的安全性、环境兼容性和成本效益，而成为十分有前途的储能器件。然而，AZIBs的实际应用仍面临一些关键挑战，包括锌枝晶的不可控生长、析氢反应（HER）以及与电极表面水合锌离子（[Zn(H₂O)₆]²⁺）脱溶相关的高耗能问题。目前，解决这些问题的方法主要集中在结构工程、表面涂层、隔膜改性、电解质优化等方面。

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文章简介

近日，沈阳化工大学周明东团队与哈尔滨工程大学、辽宁石油化工高等专科学校、沈阳工业大学合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In situ construction of an organic/metal bridging interface toward zinc metal anode with ultra-long cycle life of 5000 h”的研究型文章。该文章采用静电纺丝法在锌阳极上原位构建了有机/金属桥接界面，不仅展示了一种有效的界面修饰策略来促进[Zn(H₂O)₆]²⁺的脱溶和改善电子转移，而且为水系锌离子电池中稳定锌阳极的构建提供了有价值的见解。

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本文要点

要点一：构建有机/金属桥接界面延长锌阳极循环寿命v

采用静电纺丝手段在锌箔表面原位构建了有机/金属桥接界面，增加了电极与电解液的浸润性，抑制了锌沉积过程中枝晶的生长，使得锌阳极的循环寿命高达5000小时。

图1. (a) 静电纺丝法制备P-Cu@Zn的示意图。(b) 不同电极与电解质的接触角。(c,d) UZn和(e,f)P-Cu@Zn的SEM图像。(g)UZn和(h)P-Cu@Zn电极在250 mA cm^-2下沉积Zn的原位光学显微镜图。

图2. 对称电池在(a) 1 mA cm^-2和(c) 10 mA cm^-2下的循环性能。(b) 5 mA cm^-2下锌沉积的成核过电位。(d) 对称电池的倍率性能。(e) P-Cu@Zn||P-Cu@Zn对称电池的循环静置性能。

要点二：P-Cu@Zn的电极性能和反应动力学

计时电流（CA）曲线反映了P-Cu@Zn电极在短时间内可实现三维扩散过程，有利于锌的水平沉积。此外，P-Cu@Zn展现出更强的耐腐蚀且显著抑制了析氢反应，增加了锌沉积/剥离的可逆性。P-Cu@Zn的DRT图显示阻抗分布明显低于未修饰锌箔(UZn)，说明前者具有较小的界面电阻和电荷转移电阻。P-Cu@Zn的Ea最低，表明P-Cu@Zn电极可以有效降低去溶剂化能耗，增强锌离子的迁移动力学。

图3. (a) UZn和P-Cu@Zn在-150 mV的计时电流曲线。(b) P-Cu@Zn和UZn的Tafel曲线和(c) LSV曲线。(d) UZn||Cu和P-Cu@Zn||Cu半电池的库仑效率。(e) UZn和(f) P-Cu@Zn的容量-电压曲线。(g) P-Cu@Zn和(h) UZn的DRT分析。(i) UZn和P-Cu@Zn的Arrhenius曲线。

要点三：P-Cu@Zn的电极界面理论分析

静电电位(ESP)图像显示了PAN和PAN-Zn²⁺配合物上的电荷分布，PAN的氮原子上的孤对电子倾向于与带正电的锌离子配位，形成更稳定的结构。PAN-Zn²⁺的计算结合能明显大于H₂O-Zn²⁺的结合能，说明PAN与Zn²⁺的强相互作用促进了水合锌离子的脱溶过程，有利于锌均匀成核与沉积。UZn和P-Cu@Zn电极的电场分布模拟显示，P-Cu@Zn表面电场分布更加均匀，有效地减轻了局部电流密度，引导锌离子均匀沉积。

图4. (a) PAN的静电电位映射(ESP)。(b) PAN-Zn²⁺和H₂O-Zn²⁺的结合能。(c) UZn和(d) P-Cu@Zn电流密度分布模拟。(e)电极界面示意图。

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文章链接

In situ construction of an organic/metal bridging interface toward zinc metal anode with ultra-long cycle life of 5000 h

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164463

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通讯作者简介

孙娜副教授，硕士研究生导师，入选沈阳化工大学“优青”托举计划（2023年）；主要从事能源、环境相关高性能功能材料的设计合成、性能与应用等方面的研究；主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后面上项目、辽宁省联合基金项目，先进能源材料化学教育部重点实验室开放基金项目等。

周明东教授，沈阳化工大学化学工程学院博士生导师，2010年博士毕业于慕尼黑工业大学分子催化专业。主要从事绿色精细化工和有机化工等方向的研究，近年来开展的“有机精细化工品绿色合成”领域研究工作取得的多项技术成果达到国际领先水平。先后承担国家级、省部级、横向课题30余项，在国际权威期刊上发表高水平SCI论文百余篇，申请国家发明专利30余项、授权专利11件。入选享受国务院政府特殊津贴专家，"兴辽英才计划"科技创新领军人才（辽宁省特聘教授），辽宁省“百千万人才工程”百人层次人选，辽宁省优秀科技工作者，《Journal of Saudi Chemical Society》期刊特邀编委。曾获国家优秀留学生奖、德国优秀博士学位论文(summa cum laude)、Johannes Ortner Award、TUM GS-CH Award、Award of membership、辽宁省青年科技奖、辽宁省自然科学二等奖（排名第一）、辽宁省科技进步三等奖（排名第一）等奖项。

朱凯副教授，哈尔滨工程大学化学工程与技术专业硕士生导师。2016年博士毕业于吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室，导师陈岗教授以及魏英进教授。2014-2016年于日本国立产业技术研究所进行交流学习，合作导师周豪慎教授。现从事锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器的研究，主要是关于新型高性能电极材料、富锂正极材料、石墨烯储能应用等方向。在ACS Nano，Advanced Functional Materials，Nano-Micro Letters，ChemSusChem，Journal of Materials Chemistry A等国际知名期刊已发表SCI论文百余篇文章。

孙亚光教授，辽宁省百千万人才工程百人层次入选者，辽宁省高等院校优秀人才人选。《精细化工》杂志编委。比利时根特大学博士后，主要从事绿色催化技术及产品研发领域研究工作，主持国家自然科学基金等国家级科研课题3项，省部级科研项目6项。获辽宁省科学技术二等奖1项（2015年）、三等奖3项（2017年、2007年、2005年），辽宁省研究生教学成果二等奖1项（2018年），国家授权发明专利6项。

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第一作者简介

宫哲，沈阳化工大学硕士生导师，研究方向为锂、钠、钾离子电池正、负电极材料设计及制备，目前已发表SCI四十余篇，包括ACS Nano，Chemical Engineering Journal，Journal of Energy Chemistry，Energy & Environmental Materials等，其中三篇入选ESI 1%高被引论文，担任Nature Communications，Progress in Materials Science，Journal of Power Sources等多个期刊审稿人，获得“新威学术论文奖”两次，主持辽宁省科技厅项目、辽宁省教育厅项目、沈阳化工大学教育教学改革培育项目等。