北化工王峰教授/牛津教授团队AFM：受自然启发的构筑多功能SEI层改善锌金属负极策略

第一作者：马清

通讯作者：王峰*，牛津*

第一单位：北京化工大学

水系锌金属电池（AZMBs）具有安全性好、成本低、体积能量密度高等优点。然而，锌负极上严重的副反应和枝晶生长问题阻碍了AZMBs的实际应用。目前已报道的解决锌负极问题的策略可分为负极改性和电解液设计。在电解液设计方面，有机添加剂近年来得到了广泛的应用，具有特定官能团的有机添加剂可以调节电解液中Zn²⁺的溶剂化结构，并在Zn负极上形成保护层，有效地解决与Zn负极相关的问题。其中，锌负极上的添加剂衍生层通常起到保护作用，防止电解液与负极直接接触，从而避免腐蚀和析氢反应（HER）。同时，添加剂衍生层还应具有加速Zn²⁺脱溶和抑制枝晶形成的功能，这意味着该层还应具有高Zn²⁺选择性和高机械强度。总的来说，优异的电解液添加剂不仅要重构电解液中的Zn²⁺溶剂化结构，还要在负极表面形成多功能层，从而减少副反应并提高Zn²⁺的传输沉积动力学，从而实现AZMBs的高能量密度和长循环寿命。

近日，北京化工大学王峰教授、牛津教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Reforming Multifunctional Solid Electrolyte Interphase for High-Performance Zn Anode Through a Nature-Inspired Strategy”的研究工作。该工作使用植物细胞的衍生物氧化纤维素纳米纤维（TOCN）和木质素磺酸钙（CL）作为硫酸锌（ZSO）电解液的双重添加剂。TOCN和CL分子（TOCN-CL）不仅在电解质中重构了Zn²⁺的溶剂化机构，更重要的是在Zn负极上形成了一层类似细胞壁/细胞膜的功能层。由于TOCN-CL中二价金属离子（Zn²⁺/Ca2+）与羧基/磺酸基之间的相互作用，该梯度多功能层具有高机械强度、高Zn²⁺选择性和梯度疏水性，促进了Zn²⁺的传输沉积，解决了锌负极的相关问题。因此，改性的电解电解液（ZSO-TOCN-CL）即使在极端测试条件下也能提供优越的半电池和全电池性能。

本文提出了一种受自然启发的策略，利用植物细胞衍生物作为ZnSO4电解质的添加剂来改善Zn负极。在改性电解质中，具有特定官能团的TOCN和CL不仅调节了Zn²⁺的溶剂化结构，更重要的是在负极表面形成了具有高机械强度、高Zn²⁺选择性和梯度疏水性的类细胞膜/壁功能层，促进了锌的均匀沉积、抑制了枝晶生长并减轻了副反应。结果表明，使用TOCN-CL双重添加剂的电解质使对称电池在2 mA cm ^{- 2}/1 mAh cm ^{- 2}和10 mA cm ^{- 2}/10 mAh cm ^{– 2}条件下分别具有超过2000 h和500 h的循环寿命，表现出高度可逆和无枝晶的锌剥离/沉积行为。此外，使用该电解质的Zn/NH₄V₄O₁₀全电池在低N/P下表现出良好的循环稳定性，具有92.9 Wh kg⁻¹的高能量密度，展现了良好的实用前景。该工作为锌负极的改性提供了一种简单的策略，也为添加剂改性电解质的机制提供了新的见解。

Reforming Multifunctional Solid Electrolyte Interphase for High-Performance Zn Anode Through a Nature-Inspired Strategy

王峰，教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，国务院特殊津贴获得者，2003年毕业于日本东京都立大学工学获工学博士学位，2003年至2006年在日本国立信州大学完成博士后研究。现任北京化工大学副校长、燃料电池及氢源技术国家工程研究中心副主任、材料电化学过程与技术北京市重点实验室主任，兼任教育部科技委材料学部委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、北京表面工程学会第八届理事会副理事长。主要从事电化学储能材料、电催化材料以及应用电化学工程等领域的研究。2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2011年获得国家杰出青年科学基金资助。先后承担了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金区域联合基金重点支持项目、北京市科技计划项目以及企业委托项目等20余项科研项目，在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Nano Energy, ACS Catal., Energy Storage Mater. 等国际期刊上发表SCI学术论文共200余篇，编写英文专著1部，获国家发明专利授权50余件、欧洲和日本发明专利授权各1件，获省部级科技奖励一等奖和二等奖各1项。

牛津，教授，硕士生导师，2018年毕业于北京化工大学材料科学与工程专业，获工学博士学位（导师王峰教授），2017-2018年在美国麻省理工学院访问交流（导师Jing Kong教授），2019-2020年在日本东京都立大学进行博士后研究工作（合作导师Kiyoshi Kanamura教授）。主要从事电化学储能材料及应用研究，近年来以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Energy Storage Mater.等期刊发表论文30余篇，其中IF>15的17篇，IF>10的27篇，ESI高被引论文3篇，封面封底论文5篇。编写英文专著1部（9.7万字），申请国家发明专利21项，授权9项。担任eScience、Battery Energy、Energy Materials and Devices、Advanced Powder Materials等期刊青年编委，担任Molecules杂志专刊客座编辑。主持国家自然科学基金和企业委托项目等8项。作为主要完成人获2023年度电力科技创新二等奖、第七届石油和化工教育优秀教学成果一等奖、北京化工大学本科教育教学成果一等奖、优秀研究生指导教师团队，入选北京化工大学“青年优秀后备人才“和“青年英才百人计划（B类）”。