燕山大学张新宇教授、朱拉隆功大学秦家千教授：自组装有机/无机复合SEI增强Zn负极稳定性

第一作者：代志强

通讯作者：张新宇*，秦家千*

单位：燕山大学亚稳材料全国重点实验室，朱拉隆功大学

水系锌离子电池(ZIB)以其卓越的安全性、成本效益、环境可持续性和令人印象深刻的能量密度而成为可靠储能解决方案领域的关键。与价格昂贵且安全性较差的锂离子电池相比，ZIB具有先天优势，在多样化的储能技术领域中提供了一种引人注目的替代方案。然而，快速发展的ZIB领域面临着严峻的挑战，尤其是在锌负极、电化学电解液和正极材料的设计和优化方面。对锌负极稳定性的追求吸引了研究人员的关注，推动了保护涂层、集流体和电解液配方的创新，所有这些都旨在提高ZIB的整体循环性能。鉴于近年来电化学性能进展的热烈欢迎，必须承认许多长期挑战仍未得到充分解决，需要持续的研究和创新的解决方案。在这些方法中，开发高度稳定的固体电解液中间相(SEI)已成为一种特别有前途且有效的稳定锌电极的方法。与旋涂或浇铸在表面的人工SEI层相比，该层容易脱落且不可避免地会阻碍离子扩散效率，而使用电解液添加剂在锌负极表面原位生成的SEI具有更大的优势。研究表明，高质量的SEI不仅可以减轻不良副反应并抑制析氢反应(HER)和腐蚀，而且还有利于均匀的镀锌和剥离过程，从而提高库仑效率(CE)。本章设计了一种自分解添加剂，在电极表面原位构建有机/无机杂化SEI结构，确保了Zn²⁺的均匀传输和高机械稳定性，从而提高了循环稳定性和库仑效率。

近日，来自燕山大学的张新宇教授和朱拉隆功大学的秦家千教授合作，在知名期刊Advanced Energy Materials期刊发表题为“Enhancing Zinc Anode Stability via Self-Assembled Organic/Inorganic Hybrid Electrolyte Interfaces”的研究文章。该研究提出锌离子电池电解液引入2,5-吡咯二酮(马来酰亚胺)自分解添加剂，在电极表面原位构建有机/无机杂化SEI结构，确保了Zn²⁺的均匀传输和高机械稳定性，从而提高了循环稳定性和库仑效率。利用多种手段对生成的SEI层进行测试和表征，发现形成了多层保护结构，由ZnCO₃、Zn₄SO₄(OH)₆·H₂O、ZnS和源自Py的聚丙烯酰胺等无机/有机材料组成。SEI具有较大的比表面积和多孔结构，有利于电解液接触和Zn²⁺的传输。其内部的有机/无机杂化组成表现出较高的模量，有效抑制了枝晶的形成。此外，SEI还能有效抑制析氢反应和Zn₄SO₄(OH)₆·H₂O的不可逆生成，并使Zn²⁺主要沿(002)晶面沉积，从而提高循环稳定性。

固体电解质界面作为锌电极的关键保护措施，已引起广泛关注。与裸锌电极相比，SEI的存在显著延长了电池寿命，并有效抑制了锌枝晶的生长。然而，SEI内部无机组分分布不均匀会导致Zn²⁺空间传输不一致，从而降低锌沉积和剥离过程中的库仑效率。不均匀的锌沉积和剥离会产生较大的局部应力，这可能导致 SEI 膜在循环过程中破裂。此外，虽然有机聚合物基SEI能有效抑制副反应和析氢，但其较差的机械性能使其易受锌枝晶穿透，从而可能导致短路故障。与无机单层 SEI 或有机聚合物SEI相比，有机/无机杂化SEI具有更高的机械强度，可以抑制锌枝晶的形成。此外，有机介质的加入降低了SEI模量，增强了其机械稳定性和动态自恢复能力，从而提高了整个电池循环过程中的耐用性。

由于原位SEI的存在， Zn-Zn对称电池展现出卓越的循环性能，在1 mA cm^-2和10 mA cm^-2电流密度下分别实现了2850小时和2000小时的循环寿命。高的放电深度下对锌负极的稳定性也有明显的提升。此外， Zn-Cu电池表现出增强的循环稳定性，在2000次循环中保持了99.7%的库仑效率。Zn-NVO电池也表现出了更高的循环稳定性，1000次循环后的容量保持率为63.4%，远高于裸Zn电极，这凸显了该添加剂在提高锌电极稳定性和指导未来ZIB发展方面的潜力。

张新宇教授简介：燕山大学材料科学与工程学院/亚稳材料全国重点实验室教授，博士生导师。所在的先进结构材料团队主要从事新型高性能材料设计、开发和服役研究工作。包括高性能金属结构材料开发、功能、能源材料和计算模拟等研究方向。在Nature communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Materials Today, Acta Materialia等国内外著名学术刊物上发表论文390 多篇，获授权国家和国际发明专利90多项。获多项国家和省部级科技奖励，主持国家杰出青年科学基金、863等多项课题。所在的全国重点实验室先进结构材料中心课题组诚招优秀的博士后、博士加盟。招聘方向：（1）钛合金、锆合金等相关方向；（2）金属材料强韧化、相变研究、增材制造等相关方向。

秦家千教授简介：泰国朱拉隆功大学二级研究员，教授，博士生导师，长期从事能源材料及新型电池技术的研究与开发，在Nature communications, Advanced Materials, Angewandte, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Powder Materials等国内外著名学术刊物上发表论文200 多篇，获授权国家和国际发明专利20多项。目前担任Journal of Metals, Materials and Minerals主编， Advanced Powder Materials 和 Scientific Reports和编委。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)等项目支持，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室诚招优秀博士后和博士生加盟，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th