南京大学金钟团队ACS Energy Letters：自吸附笼状邻碳硼烷原子簇衍生的人工界面用于稳定的水系锌离子电池

第一作者：冯雨歌#，王耀达#

通讯作者：金钟*

单位：南京大学，东南大学

锌金属负极因其高理论容量、低氧化还原电位、资源丰富及环境友好等优势，被视为极具潜力的下一代水系电池负极材料。然而，其实际应用仍面临严峻挑战：在反复的锌沉积/剥离过程中，锌负极易发生严重的枝晶生长和析氢副反应，同时还会遭受电解液的持续腐蚀。这些问题导致电池循环稳定性差、可逆性低，严重制约了水系锌离子电池的商业化进程。目前，尽管研究者们已通过优化电解质、使用凝胶聚合物电解质或构建人工界面层等策略来尝试解决这些问题，但这些方法仍存在局限性。例如，添加剂在循环过程中会不断消耗；凝胶电解质的离子电导率和机械强度有待提升；而现有的人工界面层在长期循环中其组成和结构可能发生不可控演变，导致保护功能失效。因此，开发一种兼具优异电化学稳定性、高锌离子电导率且能长效抑制枝晶和副反应的全功能人工界面层，仍是当前研究的关键难点。

近日，南京大学金钟教授团队提出了一种创新性解决方案，通过在锌金属表面自发构建一种由笼状邻碳硼烷（o-carborane）簇构成的人工界面层，有效解决了上述难题。该工作的核心观点是利用具有独特笼状结构的邻碳硼烷分子，通过简单的溶液浸泡法，借助静电吸附作用使其自发、均匀地锚定在锌金属表面，形成一层稳定且致密的人工保护层。该邻碳硼烷界面层展现出卓越的结构稳定性、化学惰性和疏水性，能够同时发挥多重关键作用：1. 屏蔽腐蚀与副反应：有效阻隔水分子对锌负极的侵蚀，显著抑制析氢反应和锌腐蚀。2. 引导均匀沉积：重新分布锌离子流，消除“尖端效应”，促进锌的均匀成核与无枝晶沉积。3. 加速离子传输：构建了高锌离子电导率的界面环境，提升了电极反应动力学。得益于这一精心设计的人工界面，改性后的锌负极在对称电池和锌铜半电池中均表现出超长的循环寿命和优异的可逆性，即使在高电流密度下也能稳定运行。当与V₂O₅正极组装成全电池时，其展现出低电压极化、优异的倍率性能和超过3000次的稳定循环。这项工作为通过特定分子簇设计高性能人工界面层，以稳定金属负极、开发高效安全的水系多价离子电池提供了新的思路。该成果以“Self-Absorbed Cage-like o‑Carborane Atomic Cluster Derived Artificial Interphase for Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在 “ACS Energy Letters” 期刊，南京大学副研究员冯雨歌（现任职东南大学工程师）和南京大学博士研究生王耀达为论文的共同第一作者。

图一系统展示了邻碳硼烷人工界面层的成功构建与基础物化特性。 通过示意图与宏观照片可见，借助简单的溶液浸泡法，邻碳硼烷分子能通过静电作用自发吸附于锌金属表面，形成均匀覆盖的乳白色保护层。扫描电镜图像显示改性后电极表面更为平整致密，截面分析测得该保护层厚度约287 nm且结构均匀。接触角测试证实其疏水性强，能有效阻隔水分子的渗透。X射线光电子能谱和拉曼光谱进一步检测到B-C、B-H等特征化学键信号，从成分上确认了邻碳硼烷分子的成功锚定。

图二重点揭示了改性电极显著提升的电化学性能与界面稳定性。 电化学阻抗与塔菲尔曲线分析表明，改性电极具有更低的界面阻抗和更高的交换电流密度，证明其能显著加速锌离子传输动力学。在不同电流密度下的对称电池测试中，改性电极都表现出小而稳定的电压极化和优异的倍率性能。长期循环测试更显示，在5.0和10.0 mA cm^-2的高电流密度下，基于改性电极的对称电池分别稳定运行超过700小时和500小时，电压曲线平稳；而裸锌电极则在短时间内失效。原位光学显微镜观察直接证实，改性电极经历200次循环后表面依然光滑无枝晶，而裸锌电极仅50次循环后便出现大量枝晶和析氢气泡。

图三通过一系列浸泡实验与循环后表征，证实了邻碳硼烷界面层卓越的化学稳定性与长效保护能力。 将改性电极与裸锌电极直接在电解液中浸泡一周后，改性电极表面依然完好，而裸锌电极已严重腐蚀失去金属光泽，直观展现了其出色的抗腐蚀性能。循环后的XRD图谱显示，改性电极表面未检测到副产物特征峰，而裸锌电极则生成了大量碱式硫酸锌等腐蚀产物。XPS分析进一步表明，循环后改性电极表面仍能清晰检测到邻碳硼烷的特征信号，同时有效抑制了电解液分解产生的含硫物种。SEM图像更显示，经过300次循环后，改性电极表面依然均匀致密，完全避免了裸锌电极上出现的尖锐枝晶与粗糙形貌。

图四系统评估了该人工界面层对锌沉积/剥离可逆性的提升效果。 循环伏安测试表明，使用改性电极的电池表现出更强的电流响应，预示着更快的界面反应动力学。在初始锌沉积过程中，改性电极展现出显著降低的传质与成核过电位，证明其能有效降低锌成核能垒、促进均匀沉积。长期循环测试中，改性电极在高达10 mA cm^-2的电流密度下实现了超过2000次的稳定循环，平均库伦效率始终保持在99.5%以上，电压曲线高度重合且极化电压远低于裸锌电极，充分展现了其优异的循环可逆性与结构稳定性。

图五则在全电池层面验证了邻碳硼烷改性锌负极的实际应用价值。 当与V₂O₅正极组裝成全电池后，改性电池的循环伏安曲线显示出更小的电压极化和更高的反应可逆性。在不同电流密度下的倍率性能测试中，改性电池始终展现出比对照组更高的比容量，尤其在20 A g^-1的超高倍率下仍能保持154.4 mAh g^-1的可逆容量，且电压极化显著减小。更重要的是，在10 A g^-1的大电流下经过3000次循环后，改性电池仍能保持145.2 mAh g^-1的高容量，容量衰减率远低于对照组，其循环稳定性优于大多数已报道的改性锌负极体系，充分证明了该策略在实际应用中的巨大潜力。

Yuge Feng,# Yaoda Wang,# Junchuan Liang, Lina Qin, Kaiqiang Zhang, Shuhong Xu, ChunLei Wang, and Zhong Jin* Self-Absorbed Cage-like o‑Carborane Atomic Cluster Derived Artificial Interphase for Aqueous Zinc-Ion Batteries. ACS Energy Lett. 2025, 10, 6489−6499.

DOI: 10.1021/acsenergylett.5c02939

通讯作者简介：金钟，南京大学化学化工学院教授、博导、国家级领军人才，现担任南京大学绿色化学与工程研究院执行院长、南京大学新材料与能源技术研发中心主任、绿色能源催化与智能化学工程江苏省高校重点实验室主任。主要研究领域是清洁能源材料及绿色化学化工技术，已在Nature Chem.等学术期刊发表SCI论文>330篇，他引>26000次，H因子88，连续5年入选Clarivate全球高被引科学家及Elsevier中国高被引学者。荣获了国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、中国商业联合会科技创新奖二等奖、江苏省科学技术奖三等奖、江苏省教育教学与研究成果二等奖、江苏省首届创新争先奖、华为公司“火花奖”、英国皇家化学会“地平线奖”等奖励和荣誉。主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部联合基金、江苏省基础研究计划重点项目、江苏省“碳达峰碳中和”科技创新专项、江苏省杰出青年基金等科研项目。目前担任江苏省化学化工学会理事兼青年工作委员会主任、江苏省能源研究会常务理事、江苏省材料学会理事、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、多个SCI学术期刊编委会成员等学术任职。金钟课题组网站：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

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