徐飞教授、王洪强教授，Advanced Energy Materials文章：可视化活性锌损失与机制研究助力低N/P比锌金属电池

第一作者：张馨壬

通讯作者：王洪强*、徐飞*

单位：西北工业大学

锌离子电池（AZIBs）作为新一代廉价、安全的储能器件，近几年受到越来越多的关注。然而，目前锌阳极受到不可控的锌枝晶生长和严重的寄生反应，造成持续的活性锌消耗，进而导致库伦效率（CE）差，锌负极利用率低。具体来说，目前的AZIBs通常采用过厚的锌箔（100-250 μm），使得全电池的N/P比＞50。由于过量的锌储层弥补了不可逆的锌损失，从而在高N/P比下具有优异的稳定性的“假象”，严重阻碍了AZIBs的实际能量密度。尽管目前AZIBs取得了这些惊人的进展，但仍然缺乏长循环、低N/P比的锌离子全电池。主要原因在于缺乏合理的形核位点系统研究模型，以及有效的诊断工具来揭示潜在的活性锌损失机制。

在此基础上，西北工业大学徐飞、王洪强课题组与合作者等利用胶束界面共聚合反应与碳化策略构建了空心碳球（HCN）、单原子Sn限域的空心碳球（At-Sn@HCN）、和块锡负载的空心碳球材料（Bulk-Sn/HCN）作为锌离子沉积/剥离研究模型，并且结合原位光学显微镜（OM）实时勘察半电池沉积/剥离过程中活性锌的损失，并分析了CE的可逆性，实现了定量化评估不可逆活性锌损失的研究。此外，设计了原位OM扣式电池对沉积/剥离过程进行勘察，结合ICP分析，实现了死锌的定量化研究。结果表明：At-Sn@HCN的活性锌损失很小仅为0.6%，远低于HCN（3.5%）和Bulk-Sn/HCN（8.1%）。

其原因在于：通过原位OM观察到HCN界面层缺乏嗜锌性形核位点，造成锌离子不均匀沉积，这种不均匀沉积在剥离过程中会形成大量的死锌，导致活性锌的消耗；Bulk-Sn/HCN界面层存在块锡作为形核位点，其剥离阻力过大，造成形核层材料的粉化、失活、脱落。对于At-Sn@HCN界面层而言，观察到均匀的沉积/剥离，追溯其原因在于原子级形核位点的分布和合理空间封装实现低活性锌消耗。因此，其组装的对称电池可在较高DOD条件下实现优异的稳定性，甚至可以在苛刻条件80%DOD下正常运行。同时，全电池在N/P比为3.4条件下，稳定循环500圈，甚至在N/P比为2.2条件下，实现稳定循环。我们的发现对合理设计形核层及低N/P比的AZIBs开发具有重要意义。同时，本工作得到了上海光源的大力支持和帮助。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上。

目前，在多孔导电材料内构建亲锌形核种子，通过减轻枝晶生长和副反应的形成，对提高锌的利用率和降低N/P比具有关键意义。减小亲锌形核位点的尺寸有利于促进锌的形核与扩散。因此，原子级亲锌形核位点有望进一步加速锌的形核动力学，并最大限度地利用锌。然而大多数形核位点总是装饰在不平整和/或自聚集的暴露表面，加剧了不均匀的形核和枝晶的形成。我们通过构筑单原子Sn封装的空心球（At-Sn@HCN）能够引导从宿主内部形核和保形生长，促进锌的致密沉积。

上述合成策略具有灵活性，对研究形核位点的尺寸分布、空间分布奠定了良好的分析模型基础。我们构建了空心碳球（HCN）、单原子Sn限域的空心碳球（At-Sn@HCN）、和块锡负载的空心碳球材料（Bulk-Sn/HCN）作为锌离子沉积/剥离研究模型，并且结合原位OM实时观察半电池沉积/剥离过程中活性锌的损失，并分析CE，实现定量化分析不可逆活性锌损失的研究。这规避了当前原位OM中普遍存在的对称电池具有过量锌的限制，这种限制只允许对枝晶生长进行定性观察。此外，我们还设计了原位OM扣式电池对锌沉积/剥离过程进行动态勘察，结合ICP分析，实现了死锌定量化研究。

得益于At-Sn@HCN界面层低锌消耗，其组装的对称电池可在较高DOD条件下实现优异的稳定性，甚至在苛刻条件80%DOD下亦是如此。同时，全电池在N/P比为3.4条件下，稳定循环500圈，甚至在N/P比为2.2苛刻条件下，稳固循环。

Atomic Sn Encapsulation with Visualizing Mitigated Active Zinc Loss toward Anode-Lean Zinc Metal Battery

https://doi.org/10.1002/aenm.202401139.

徐飞：西北工业大学材料学院教授，博士生导师，优秀青年科学基金获得者，德国洪堡学者。于2015年在中山大学获博士学位，2012-2014年以国家公派在日本分子科学研究所从事博士联合培养，2018-2020年在德累斯顿工业大学从事洪堡博士后研究，主要从事功能多孔聚合物和碳材料的分子设计、可控制备及物化性能研究，在新能源材料与器件和吸附分离等基础应用领域积累了研究经验，共发表SCI论文100余篇，总引用5400余次，其中以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等SCI期刊发表论文50余篇。申请中国发明专利15项（授权11项）。受聘担任陕西省纳米学会常务理事、《SusMat》与《Carbon Energy》等青年编委等职。

王洪强：西北工业大学教授，材料学院副院长，国家万人计划创新领军人才。曾入选国家海外高层次青年人才、德国洪堡学者及欧盟玛丽居里学者。长期从事液相激光制造与低碳能源器件研究，在Chem. Soc. Rev.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.等国际重要期刊发表SCI论文160余篇，总引用8000余次，H因子51。申请中国、日本发明专利30项（授权21项）。担任总装材料专家组成员、中国体视学学会材料科学分会副主任委员、陕西省一带一路国际联合实验室主任、陕西省学科创新引智基地负责人JPhys. Mater.国际编委等职，入选英国皇家化学会会士。

根据科研工作的需要，西北工业大学材料学院徐飞，王洪强团队现面向海内外持续招聘博士后研究人员（长期有效），具体可参考网站http://cailiao.nwpu.edu.cn/。具有多孔功能材料、纳米材料、有机合成、高分子材料以及可充电电池（金属离子电池、金属-硫电池、超级电容器、固态电解质）、有机气体吸附与催化等相关研究背景。有兴趣者请将个人简历发送至邮箱feixu@nwpu.edu.cn。