江苏大学AFM：界面存储新突破——氢键界面实现高效的锌离子存储

第一作者：刘地翔

通讯作者：徐晖*

单位：江苏大学

低成本、高安全的水系锌离子电池（AZIBs）被认为是大规模能源存储的理想设备。然而，二价锌离子与正极材料（如锰基、钒基氧化物等）的静电作用较强，导致锌离子嵌入困难、扩散缓慢，严重影响AZIBs的电化学性能。基于“job sharing”机制的界面存储为解决上述难题提供了一个切实可行的方案。在这种机制下，电子存储发生在界面的某一相，而离子存储则发生在界面的另一相。这种两相界面处的电子与离子解耦传输极大地拓展了材料的存储空间及其动力学性能。尽管如此，在现有的复合材料体系中，电荷存储仍主要以表面或块体存储为主导，界面仅提供额外的容量，并没有对复合材料的总容量和动力学性能产生重大提升。造成这一现象的主要原因在于复合材料中缺少与其体相或表面等效尺寸的界面。

近日，江苏大学材料学院高分子材料研究所的徐晖博士利用氮气等离子体在VOx纳米片表面修饰含氮基团，并通过氢键交互作用与微孔GO自组装形成了致密的多层复合结构（图1）。该复合结构不仅拥有丰富的界面，而且GO表面的微孔能够促进锌离子嵌入界面区域（图2），从而提升了锌离子的扩散效率。通过非原位光谱和EDS-Mapping证实了锌离子主要存储于VOx与GO的界面区域，少量存储于VOx块体中（图3）。通过DFT计算揭示了界面结构的演变规律，同时也观察到锌离子的存储容量与氢键的数量存在一个“适度”的平衡关系（图4）。氢键的数量过多会加剧锌离子与界面的交互作用，甚至会对界面结构造成破坏。

此外，作者还发现在GO中引入缺陷（如碳空位）能够显著增强复合材料界面存储的稳定性，进而拓宽界面的存储极限。电化学研究表明，界面存储的本质是嵌入赝电容过程。锌离子在界面处的传输极为迅速，而且氢键在锌离子嵌入/脱出过程中发生断裂/重构，有效缓解了电极的体积效应，从而显著提升了电化学性能。VOx-GO复合材料在0.1 A g⁻¹的电流密度下，比容量高达464 mAh g⁻¹；在10.0 A g⁻¹的电流密度下循环4400次，比容量为111 mAh g⁻¹，容量保持率为86%（图5）。该项工作首次在氢键界面中实现了高效的锌离子存储，为开发高性能的AZIBs正极材料提供了新思路。成果以“Interface-Dominated Zn2+ Storage in Hydrogen-Bonding Interfaces”为题在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表。

Interface-Dominated Zn²⁺ Storage in Hydrogen-Bonding Interfaces