云南大学郭洪EEM：给高熵合金“上双保险”，让超大电流锌空气电池更稳定！- 大数跨境

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云南大学郭洪EEM：给高熵合金“上双保险”，让超大电流锌空气电池更稳定！

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2025-06-27

导读：云南大学郭洪EEM：给高熵合金“上双保险”，让超大电流锌空气电池更稳定！

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文章信息

第一作者：邹肖肖

通讯作者：云南大学郭洪

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研究背景

近年来，高熵合金（High-entropy alloys, HEAs）凭借独特的多元素协同效应和结构灵活性，在催化领域展现出巨大潜力，并为设计兼具高活性与稳定性的双功能催化剂提供了新思路。尽管HEAs在催化性能上取得显著进展，但其在锌空气电池中的实际应用仍面临挑战。首先，高熵合金表面在长时间电化学循环中易发生元素动态重构，导致活性位点失活。其次，电解液腐蚀和氧化应力共同作用可能破坏合金的纳米结构，加剧性能衰减为解决以上问题，传统的载体包覆策略虽能部分缓解溶出，但难以同时解决导电性不足和传质受限等问题。

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文章简介

基于此，云南大学郭洪教授团队，在《Energy & Environmental Materials》上发表研究型论文“Dual-Confinement Strategy Improves the Stability of High-Entropy Alloys in Ultra-Large Current Zinc-Air Batteries”（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.70057）。本工作设计了原位碳形成层的HEAs，对比没有碳层的HEAs，深入的分析了碳层的形成及其作用，进一步的理解了碳层形成包覆的过程中氧在其中起到的连接桥作用。然后利用理论计算，采用团簇建模的方法，尽可能的还原材料的真实环境，研究了碳层包覆在HEAs上，对其性质的影响，及碳层带来的作用。深入的理解了MnFeCoNiCu@C具有超强的锌空气电池的稳定性，并且拥有良好的耐大电流冲击的特性，为其能够在商业化的应用上提供了一定的理论意义。

图1双限域策略制备HEAs提高锌空气电池稳定性。

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本文要点

要点一：包覆高熵合金的结构表征

根据测试表征结果，说明了碳包覆HEAs纳米颗粒成功的合成，并根据测试结果发现了氧作为桥梁连接碳层和HEAs纳米颗粒。

图2. MnFeCoNiCu@C的（a）TEM图像，插图为相应部分的FFT图，（b）是a中的局部放大图，以及相应部位的晶格间距图，（c和d）同一部位的EDS和EELS测试中各元素的成像结果.（d）不同对比样品的XRD图，（e）MnFeCoNiCu@C的模型结构示意图。

要点二：铠甲高熵合金的特点

为了更深入的理解铠甲化的HEAs纳米颗粒中壳层的详细信息，进行了EELS、Raman、XPS和理论计算的研究，说明原位碳壳层的形成特点。

图3. MnFeCoNiCu@C（a-g）不同部位各元素的相应的EELS谱线对比图。（h和i）MnFeCoNiCu@C和MnFeCoNiCu的拉曼光学图及2D拉曼成像中的碳的信号图，（j）不同颜色对应的拉曼谱线。（k）C1s的精细谱对比，（l）MnFeCoNiCu@C模型中金属-C成键的COHP及其ICOHP的值。

要点三：证明包覆层改变了各元素的电子结构

通过实验和理论计算进一步说明了铠甲层的引入对HEAs中各种元素的影响，使得HEAs体系的电荷发生再分布，各元素的d带中心都呈下降趋势，优化催化反应中各中间体吸附强度促进传质。

图4 MnFeCoNiCu@C和MnFeCoNiCu的（a-f）不同元素的XPS精细谱对比，和（g）模型中不同元素的DOS分布对比结果。（h）MnFeCoNiCu@C的2D切片平面视图。

要点四：理论计算和实验证明材料的稳定性。

从锌空气电池测试和理论计算中可以看出铠甲层具有减少元素溶出迁移从而提高锌空气电池的稳定性及大电流冲击的能力。

图5 （a）MnFeCoNiCu@C模型中局部的电子密度图的切片。MnFeCoNiCu@C和MnFeCoNiCu液态ZAB的(b)充放电极化曲线和功率密度，(c)不同电流密度下的充放电循环，(d)长时间的充放电循环测试图，（e）MnFeCoNiCu@C在不同大电流密度下的长时间充放电循环测试图，（f）MnFeCoNiCu@C和MnFeCoNiCu的模型中各元素缺陷形成能的对比结果。

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文章链接

Xiaoxiao Zou, Songsong Zhi, Bohuai Pang, Xinyu Zhao, Hang Ma, Genfu Zhao, and

Hong Guo, Dual-Confinement Strategy Improves the Stability of High-Entropy Alloys in Ultra-Large Current Zinc-Air Batteries, Energy & Environmental Materials, 2025, e70057.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.70057

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通讯作者简介

郭洪教授简介：云南大学教授，博士生导师，博士后合作导师，享受云南省政府津贴的专家学者，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会理事（CSSI），国际能源与电化学科学研究院(IAOEES理事，国际电化学会（ISE）会员。主持973计划课题、国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省及教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在PNAS. Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Edit., Mater. Today, Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.等学术期刊发表论文150余篇，引用超过7000次。申请及授权30余项中国发明专利。