刘书德&田华军&何章兴Nano Letters：离子筛分功能实现高稳定水系锌离子电池锌负极

离子筛分功能实现高稳定水系锌离子电池锌负极

单位：东华大学，华北电力大学，华北理工大学

要点一：膨润土人工保护层界面

本文利用膨润土材料构建了NB@Zn电极，通过界面工程重构了电解质/负极界面，其离子传输行为示意图如1（a）所示，膨润土人工界面保护层可以作为离子筛，筛分通过的锌离子以及硫酸根离子。SEM图像表明NB@Zn电极表面覆盖有均匀且致密的NB保护层，可以有效避免锌箔负极与电解液的直接接触，从而减少副反应的发生。从亲水性测试实验结果可知，保护层增强了NB@Zn电极表面的润湿性，缩短了Zn²⁺的迁移路径，减小了Zn²⁺的转移能垒。

图1. 膨润土材料的优化机理示意图及材料表征。

要点二：离子筛分作用

图2. 膨润土材料的电化学测试和抗侵蚀表征。

要点三：半电池电化学性能

通过Zn/Ti半电池的CV测试可以看出，膨润土保护层减小了电位差，有效降低了锌离子的沉积屏障。从成核过电位测试结果可以看出，NB@Zn表现出了最低的过电位，证明膨润土降低了锌成核势垒，有利于促进Zn²⁺的快速成核。由对称电池倍率测试结果可知，随着电流密度增加，裸锌对称电池在高电流密度下出严重的的极化现象，电压分布不稳定；相比之下，NB@Zn对称电池的充放电曲线相对稳定，并表现出良好的倍率性能。膨润土保护层还可以调节负极表面电场分布，减少浓差极化现象的发生。采用膨润土改性电极组装的对称电池，在长期循环过程中表现出快速的离子传输性能，以及稳定的电压平台和优异的可逆性。

图3. 半电池电化学测试。

要点四：迁移行为调控

由Zn//Cu和CB@Zn//Cu不对称电池进行CE测试分析可以知，具有NB保护层的锌负极可以进行稳定的电镀/剥离，表现出良好的可逆性。全电池倍率性能测试结果证实了，膨润土作为保护层可有效改善全电池循环过程Zn²⁺电镀/剥离的可逆性，表现出优异的倍率性能。DFT计算结果显示，膨润土保护层对Zn²⁺有很高的结合能，证明它们的存在增强了锌负极对Zn²⁺的吸引力。此外，膨润土与SO₄^2-的结合能为正值，表示膨润土将排斥SO₄^2-的通过。这一结果可以进一步证明膨润土保护层不仅有效地促进Zn²⁺的转移，还可减少SO₄^2-对锌负极的影响，体现膨润土保护层的离子筛分作用。

图4. Zn²⁺迁移行为分析。

要点五：膨润土优化作用机理

对以MnO₂为正极材料，膨润土改性锌箔为负极的全电池进行了长期循环性能测试，验证了NB保护层的实用性，NB@Zn//MnO₂全电池表现出超长的循环稳定性。膨润土具有独特的二维层状结构、丰富的离子通道和优异的离子选择性，是一种性能优异的涂层材料。由膨润土构建的锌负极保护层提供了锌离子迁移的传输通道，缩短了Zn²⁺的迁移路径，加快了Zn²⁺的迁移速率。理论计算和电化学实验结果表明，膨润土保护层通过离子筛分作用调节界面行为，其强电负性吸引锌离子同时排斥硫酸根离子，从而避免了水系电解液侵蚀锌负极，减少副反应的发生。NB@Zn//MnO₂全电池性能在诸多近期发表的工作中也表现出领先优势，该策略取得的显著成果证实了膨润土作为锌负极保护层的应用前景。

图5. 全电池电化学性能研究。

Zhi Peng, Hui Yan, Qingqing Zhang, Shude Liu,* Seong Chan Jun, Sergey Poznyak, Na Guo, Yuehua Li, Huajun Tian,* Lei Dai, Ling Wang, and Zhangxing He*, Stabilizing Zinc Anode through Ion Selection Sieving for Aqueous Zn-Ion Batteries, Nano Lett, 2024.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00693

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