吉林大学王晓峰教授&湖南工大许雨婷Nano Letters：原位个体化定制锌负极晶相实现高性能水系锌电

第一作者：张济遵

通讯作者：王晓峰*，许雨婷*

单位：吉林大学（第一单位），湖南工业大学

随着全球对于高效、安全且可持续的储能技术需求的与日俱增，水系锌金属电池凭借其成本低廉、资源丰富以及安全性高等诸多优势而备受关注。然而，在水系锌金属电池的发展进程中，负极枝晶生长这一问题成为了亟待攻克的关键阻碍。枝晶形成的主要原因是由于锌离子在电极表面的无序沉积形成非均匀的成核点，而这些非均匀的成核点便成为锌枝晶生长的萌芽。因此，如何通过合理调控锌金属晶体的取向来诱导锌离子的有序沉积成为了当下该领域重点研究的方向之一。

基于此，吉林大学王晓峰教授&湖南工业大学许雨婷团队发表题为“Crystallographic Customization of Zinc Anode for High Performance Aqueous Metal Batteries”的研究论文。在此研究中，将两性离子氨基酸离子(ZAI)天冬氨酸引入水系锌金属电池中，原位刻蚀Zn(002)晶面以构建高度有序的层状三维(OL3D)锌负极，有序的Zn（100）阵列结构实现了Zn²⁺的均匀沉积，有效抑制了负极枝晶生长，获得了高性能的水系锌金属电池。该成果发表在国际顶级期刊Nano Letters上。吉林大学物理学院硕士研究生张济遵为本文第一作者。

图1. OL3D结构的形成机理，以及ZAI协同OL3D结构稳定锌金属负极的作用机制。

通过理论计算，证明了ZAI添加剂能够特异性吸附Zn(100)晶面，屏蔽电解液中的活性水与质子，抑制腐蚀等副反应的发生，在这一作用下，只有Zn(002)晶面被选择性刻蚀，OL3D结构得以形成，并通过XRD以及EBSD得以验证。利用拉曼光谱与傅里叶红外测试等证明了ZAI添加剂能够有效地调节锌离子的溶剂化结构以及去溶剂化进程，静电屏蔽效应还能够屏蔽活性水分子对负极带来的负面效果，有效抑制析氢反应以及钝化反应。

图1 OL3D结构形成的实验表征。

图2 OL3D结构形成的机理以及ZAI添加剂的调控原理。

要点二：多功能ZAI添加剂以及OL3D负极电化学性能探究

通过不同电流密度以及不同沉积量的对称以及半电池充放电循环测试证明了ZAI添加剂引入电解液后，电池体系能够展现出更稳定的长循环过程以及更强的高电流承载能力，实现了99.7%的平均库伦效率，循环后的OL3D负极展现出平整光滑的形貌。此外，通过塔菲尔曲线、成核过电位等测试证明了与一般水系电解液相比，ZAI引入后的电解液中体系副反应得到有效抑制，锌的成核能垒降低，证明了ZAI对水系锌金属电池的有效调控。

图3 多重作用下锌沉积行为的研究。

图4 ZAI引入体系后的电化学性能测试。

要点三：ZAI应用于全电池性能提升

陶瓷填充物可以显著提高聚合物电解质的电导率和剪切模量，但二者之间的界面反应确鲜有研究。近期有文章研究了PEO和Li₁₀SnP₂S₁₂（LSPS）的界面，揭示PEO和LSPS之间的化学反应引起了阻抗的增加。其他的如Li₇La₃Zr₂O₁₂陶瓷，在空气中会生成碳酸锂的钝化层，明显提高了界面阻抗，通过退火可以消除这些表面钝化层。

图5 ZAI对全电池性能改善。

Crystallographic Customization of Zinc Anode for High Performance Aqueous Metal Batteries

王晓峰，吉林大学物理学院教授，博士生导师。主要从事新型能源转换及储存相关的研究。王晓峰教授多次作为项目负责人主持了中国及日本国家自然科学基金层次的科研项目，其中包括2011-2014年度日本学术振兴会JSPS科研费若手A类；2008-2010年度日本文部科学省MEXT科研费若手B类；以及2007年度日本学术振兴机构JST先进技术萌芽研究助成金等。现主持在研2016-2019及2020-2023年度国家自然科学基金面上项目2项，吉林省自然科学基金项目1项，企业横向课题1项。至今共发表了包括Energy & Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Nano-Micro Lett., Adv. Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A，ACS App. Mater. & Interfaces, J. Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Appl. Phys. Lett.等知名杂志在内的SCI论文100余篇。另外著有斯普林格，CRC Press, Elsevier等国外出版社专著各一章，获得已授权日本专利2项及中国发明专利多项。

张济遵，吉林大学物理学院硕士研究生。主要研究方向：锌二次电池关键材料。