阿德莱德大学郭再萍院士Angew.：具有快速动力学的多功能聚合物界面助力超高倍率锌金属负极

第一作者：薛攀

通讯作者：巩文斌*，朱开平*，毛建锋*，郭再萍*

单位：扬州大学，徐州工程学院，南京大学，阿德莱德大学

在锌离子电池（AZIBs）中，锌负极极上的聚合物界面相避免了枝晶生长和明显的副反应，包括腐蚀和析氢。这主要是得益于聚合物添加剂所具有的丰富的官能团，可以调节Zn²⁺的溶剂化结构，促进Zn²⁺的转移，并且可以在电极表面原位形成具有控制Zn²⁺沉积功能的保护层。聚合物衍生的保护层还提供了高的界面稳定性，可以显著提升电池的循环稳定性。然而，由于聚合物界面层通常具有较差的离子传输通道，在实际应用过程中Zn²⁺难以通过聚合物界面层传输，因而使用聚合物界面层的电池通常表现出缓慢的动力学和较大的过电位，这限制了AZIBs的实际应用，特别是在高倍率条件下。因此，有必要开发具有快速动力学的新型聚合物界面层，用于具有快速充放电能力的实用AZIBs。此外，本文为未来的研究提供了方向，有助于加速聚合物界面层的构建和研究提供借鉴意义。

近日，澳大利亚阿德莱德大学的郭再萍教授团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Multifunctional Polymer Interphase with Fast Kinetics for Ultrahigh-rate Zn Metal Anode”的文章。该文章报道了一种基于聚（吩嗪-苯均苯四酸酐）（PPPA）的电解液添加剂构建的具有快速动力学的多功能聚合物界面层。PPPA具有线性π共轭结构以及丰富的极性吡啶（共轭环状-C=N-）和羰基（C=O）基团，能够优先吸附在锌负极表面，原位形成稳定的固体电解质界面（SEI）层。该PPPA SEI层能够有效阻隔水分子与锌负极的直接接触，并调节界面溶剂化结构和锌的沉积行为。重要的是，PPPA的扩展π共轭结构提供了丰富的二维开放通道，用于快速传输Zn²⁺，并且其离域π电子形成了空间静电场，有助于Zn²⁺的去溶剂化和扩散。

PPPA具有线性π共轭结构以及丰富的极性吡啶（共轭环状-C=N-）和羰基（C=O）基团。这些基团能够与锌负极表面发生强相互作用，优先吸附在锌负极表面，形成稳定的SEI层。形成的SEI层能够有效阻隔水分子与锌负极的直接接触，从而抑制水分子在锌表面的分解反应（如析氢反应），减少副产物的生成。

PPPA中的羰基（C=O）基团通过可逆的离子化作用与Zn²⁺配位，破坏了界面处H₂O分子的分子内和分子间氢键，从而加速了Zn²⁺的去溶剂化过程。PPPA的π共轭结构扩展形成了丰富的二维开放通道，为Zn²⁺的快速传输提供了路径。此外，PPPA的离域π电子形成空间静电场，有助于Zn²⁺的去溶剂化和扩散，从而加速Zn²⁺的迁移和扩散。PPPA层能够均匀化电极表面的电场分布，减少局部电场的不均匀性。这种均匀的电场分布有助于Zn²⁺在电极表面的均匀沉积，避免了因电场集中导致的枝晶生长。即使在高倍率条件下，锌也能均匀沉积，无枝晶生长。

PPPA中的含氧位点的扩散势垒较低，即Zn²⁺倾向于沿含氧位点跳跃迁移，这证明PPPA分子中末端氧的存在有利于离子沿分子链跳跃转移。上述迁移路径的存在可以显著降低电池极化，提升电池循环性能并为聚合物界面层的设计提供借鉴意义。

Multifunctional Polymer Interphase with Fast Kinetics for Ultrahigh-rate Zn Metal Anode

巩文斌副教授简介：2014年获中国科学院大学博士学位，随后在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所从事博士后工作。2020年加入徐州工程学院，现为物理与新能源学院副教授。长期从事材料的理论模拟研究和开发，以第一及通讯作者（含共同）在Nat. Synth., Nat. Common., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem Int. Ed.等学术刊物上发表论文40余篇，被引用5000余次，H-index为38。

朱开平博士简介：2016年本科毕业于苏州大学能源学院，2024年博士毕业于南京大学。长期从事储能材料和热能管理材料的研究和开发，目前已在Adv. Mater., Angew. Chem Int. Ed., Nano·Lett., Adv. Energy Mater.等学术刊物上发表20余篇。

毛建锋教授简介：澳大利亚阿德莱德大学副教授，长期从事高比能电池的功能材料和电解质的研究和开发。目前已在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem Int. Ed.等国际知名期刊上发表论文130余篇，被引用13000余次，H-index为57。

郭再萍教授简介：澳大利亚科学院、工程院两院院士，现任阿德莱德大学化学工程学院Top-talented 教授，伍伦贡大学荣誉教授，英国皇家化学会（RSC）期刊Chemical Science副主编。历任伍伦贡大学材料工程系副教授（2010），教授（2012），高级教授（2014），杰出教授（2019）等职务。于2010年获得了澳大利亚研究理事会（ARC）伊丽莎白女王二世学者（QEII Fellow），2015年获得未来学者（Future Fellow），2021年获得桂冠学者（Laureate Fellow）等称号。其曾荣获多项重要奖励与荣誉，包括2020年新南威尔士州长奖，2019年伍伦贡大学年度杰出研究人员奖，2017国际先进材料协会奖等。

薛攀博士简介：香江学者，扬州大学青年百人特聘教授，长期致力于电极载体的界面设计及高性能、高安全电化学储能器件构建方面的研究。目前已在Adv. Mater., Angew. Chem Int. Ed., Nano·Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊发表论文40余篇。