中国计量大学张景基团队CEJ观点：疏锌/亲锌双功能铁电纳米棒涂覆的网状界面层提升锌负极稳定性

第一作者：马静文，刘卫申

通讯作者：张景基*，宗泉*，王疆瑛*

单位：中国计量大学

水系锌离子电池因其安全性高、低成本及环境友好，成为能源存储系统极具前景的候选者。然而。在锌剥离/沉积过程中锌负极稳定性和可逆性常因枝晶生长和界面副反应而受限。构建人工界面层（AIL）已被广泛用作稳定锌负极的有效策略，而其对锌的亲和力是初始成核与后期锌沉积的关键决定因素。目前，大多数研究集中在构建单一亲锌或疏锌AIL及亲锌/疏锌双功能聚合物、异质界面以稳定锌负极，但在这些AIL中锌离子传输通道易被沉积的锌所堵塞，从而限制锌离子的传输。

鉴于此，中国计量大学张景基团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Dual zinco-phobic/-philic ferroelectric nanorods coated mesh for stable Zn anode”论文。该工作通过在锌负极表面构建BaTiO₃（BTO）铁电纳米棒涂覆的网状界面层，利用氧空位诱导P4mm铁电-P4/mmm顺电相变而创建疏锌/亲锌双功能位点及网状结构的微通道，抑制锌枝晶生长并引导锌均匀沉积。

制得的BTO纳米棒由直径为20~50nm的纳米晶自主装而成，其具有裸露的四方(100)和(211)晶面及丰富的氧空位，XRD精修揭露其由四方P4mm铁电相（28%）和四方P4/mmm顺电相（72%）组成。将BTO纳米棒粉体涂覆在锌箔表面而形成网状结构，与商用BTO纳米颗粒涂覆的界面层相比，其具有较弱的铁电压电性。

密度泛函理论揭示P4mm（100）晶面和P4/mmm（100）晶面具有亲锌性，而P4/mmm（211）晶面具有疏锌性；氧空位不仅减弱对锌的亲和力，也显著降低锌离子的迁移能垒。这些特性赋予了BTO纳米棒涂层呈现疏锌/亲锌双功能性，有效抑制水诱导的腐蚀副反应，降低锌成核能垒，增强锌剥离/沉积动力学。另外，网状涂层结构也有利于锌离子扩散，促进3D侧向扩散。

锌沉积过程原位观测证实BTO纳米棒涂层有效抑制锌枝晶生长，促进锌均匀沉积。通过有限元模拟，发现相互连通微通道的BTO纳米棒涂层在锌凸起周围具有更为均匀的横向电场分布与浓度分布，而在纵向则具有显著的浓度分布，有效引导锌离子传输、促进锌均匀沉积。

BTO NRs@Zn对称电池在1 mA cm^-2与1 mAh cm^-2下寿命可达3050小时，在更高的电流密度（5 mA cm^-2与5 mAh cm^-2）下也可达400小时。Zn‖BTO NRs@Cu电池在1 mA cm^-2与0.5 mAh cm^-2下循环2000次仍保持99.8%的库伦效率。

BTO NRs@Zn负极与NH4V4O10正极材料组成全电池在4 A g^-1条件下初始比容量为239 mAh g^-1，其循环2000次后仍有55.89%的保留率，Zn负极表面仍保持平整、致密的微结构。

Dual zinco-phobic/-philic ferroelectric nanorods coated mesh for stable Zn anode （DOI: 10.1016/j.cej.2024.157007）