伊廷锋教授，CCR观点：洞悉水系锌离子电池中金属锌阳极人工界面层的保护策略及机理

第一作者：杨绍杰

通讯作者：伊廷锋*

单位：东北大学

水系锌离子电池（AZIB）因其安全性高、环境友好等优点而受到广泛关注，然而水系锌离子电池中锌负极不可避免地存在析氢、腐蚀、枝晶生长、表面钝化等问题，严重降低了电池的电化学性能。锌表面的人工界面工程被认为是解决上述问题最有效的策略之一。本文全面总结了锌阳极面临的挑战和优化策略。此外，我们还对这些界面层保护策略进行了全面深入的分析，重点探讨了优化策略背后的保护机制以及对全电池性能的促进作用。最后，提出了界面工程在高性能AZIBs稳定锌负极设计中面临的挑战和未来的发展方向。本综述可为AZIBs稳定锌负极的合理构建提供潜在的方向。

近日，来自东北大学的伊廷锋教授在国际知名期刊 Coordination Chemistry Reviews 上发表题为“Achieving stable Zn anode via artificial interfacial layers protection strategies toward aqueous Zn-ion batteries”的观点文章。该文章围绕锌阳极面临的挑战和优化策略进行了具体而全面的综述，同时，深入讨论了界面层保护策略以及优化策略背后的保护机制。最后，提出了界面工程在高性能AZIBs稳定锌负极设计中面临的挑战和未来的发展方向。

根据界面层的保护机理将其分为四类：离子引导层、离子配位层、电子均匀层和亲锌保护层。在离子引导层范围内，值得注意的是，我们将有利于离子传输的界面层结构进行了分类，包括多孔结构、网络结构和层状结构。这些不同的结构可以引导Zn²⁺在Zn负极表面的传输，限制Zn²⁺的通量，促进Zn²⁺在锌负极表面的均匀沉积。

1离子引导层

通常，裸锌箔表面不具备有序的锌离子扩散通道，这往往导致了电池离子传输缓慢、电压极化严重、能量效率低下和倍率性能差等问题。通过构建具有“离子引导”作用的人工界面层可以有效解决裸锌箔表面离子传输缓慢的问题。具有多孔结构、网络结构和层片状结构的界面层为Zn²⁺构建了“高速公路”，促使Zn²⁺在锌负极表面更快、更均匀地沉积，最终抑制枝晶生长和界面副反应。众所周知，材料的结构决定了性能，这些独特的结构可以引导Zn²⁺的均匀沉积，或提供更大的表面积和更多的亲锌位点，或重新排列已经沉积晶体的晶体学取向，从而抑制枝晶生长和界面副反应，对ZIBs的电化学性能做出巨大贡献。

2 离子配位层

有机聚合物是“离子配位层”的主要材料，其羟基等极性功能基团与Zn²⁺配位形成传输通道，加速水合锌离子的脱溶速度。此外，复合界面层受益于“离子引导层”和“离子配位层”之间的协同作用。离子引导层有利于Zn²⁺迁移通道的建立，而离子配位层则加速水合Zn²⁺+的脱溶过程。因此，这种协同效应导致了稳定锌负极的构建。

电子均匀层表现出较高的电子电导率或促进“空间微场”的形成，重新分布锌负极表面电荷，避免裸露锌的“尖端效应”。同时，该过程可以调节锌离子的传输行为，加速锌离子的转移动力学，获得无枝晶的负极。因此，利用“电子均匀层”作为锌负极保护层的表面改性策略对提高锌负极的循环稳定性具有重要意义。

4 亲锌保护层

(4) 构建自修复界面层是人工界面层策略发展中最有前景的方向之一。自修复界面层主要通过电解质工程获得，例如电解质添加剂或水凝胶电解质。电解质与锌负极发生化学反应形成SEI膜，可解决循环寿命短的问题。因此，构建自修复界面层是一种很有前途的界面改性策略。然而，关于自修复界面层的信息有限，该领域仍需进一步探索。

(5)界面层的制备方法亟待创新。一方面，不同的涂层材料对锌箔的附着力不同，制备方法也不同。另外，传统的制备方法无法精确控制界面层的厚度。为了充分发挥界面层的优势，需要更加先进、多样化的制备方法，如3D打印、磁控溅射等。

(6) 由于锌枝晶的形态呈现二维六边形片状，而锂枝晶的形貌为一维拓扑且具有分枝状，我们不能按照传统的锂枝晶生长模型继续探索锌枝晶的成核和生长机制。因此，需要先进的测试和表征技术来开发锌枝晶成核和生长的模型。例如，获取与时间相关的信息对于探索锌沉积和剥离的动态过程至关重要。为此，一系列原位技术，包括原位X射线衍射、原位电子显微镜、原位透射电子显微镜，以及基于核磁共振（NMR）的先进技术，发挥着不可或缺的作用。这些技术可以实时捕捉和分析锌沉积和剥离过程中的微观变化，使其成为深入了解潜在机制的有力工具。利用先进的原位表征技术、精细的电化学分析和理论模拟方法，我们为抑制阳极枝晶生长的人工界面层设计带来了新的视角。同时，机器学习和人工智能技术的融合为电池模拟提供了有效的工具支持，提高了预测电池性能的准确性。

(7) 人工界面层主要可分为两大类：导电材料（包括碳基和合金材料）和绝缘材料（如聚合物）。导电材料作为界面层，通常可以增强电子和离子的传输。为了防止锌枝晶从导电保护层表面快速扩散到阴极，必须增强保护层的稳定性。保护层的耐久性有限，可能会损害电池的整体性能。因此，找到防止锌枝晶过度生长的解决方案对于提高导电保护层的稳定性至关重要。此外，虽然绝缘层作为稳定的钝化层可以有效防止电解质腐蚀，但改性阳极的电池尽管有诸多好处，但电子和离子的传输效率可能会降低。因此，需要找到平衡这一矛盾的方法，以提高电池的整体性能。

（9）虽然人工界面层策略提供了显著的优势和功能增强，但实际应用仍然面临一些难以轻易克服的挑战。水性电解质的冻结性质严重限制了 ZIB 在低温下的使用。这种限制因电化学窗口狭窄而加剧，这对选择正极材料和提高电池容量构成了挑战。因此，需要进一步研究和改进以克服这些限制并提高 ZIB 在更广泛环境条件下的性能。

（10）提高锌阳极的库仑效率（CE）对于推进锌阳极的实际应用至关重要。一种有效的方法是创建用于锌沉积的无水界面。例如，NTP 和 Nafion-沸石涂层是极好的固体或准固体电解质，仅允许锌离子扩散。

Achieving stable Zn anode via artificial interfacial layers protection strategies toward aqueous Zn-ion batteries

伊廷锋教授简介：伊廷锋，东北大学教授(三级)、博士生导师，秦皇岛分校副校长。主要研究方向为新能源材料及其第一性原理计算。先后入选安徽省技术领军人才、江苏省双创人才、河北省333人才工程第二层次人选、河北省普通本科院校教学名师、河北省师德标兵、河北省拔尖人才（专技）、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics) 材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross-Field)“Top 1%审稿人”、全球Top 2% Scientists榜单、全球顶尖前10万科学家排名、获第十四届河北省青年科技奖。担任《物理化学学报》高级编委、《有色金属工程》编委，《Chinese Chemical Letters》《Rare Metals》等期刊青年编委。主持国家自然科学基金项目5项，近年来，在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Material(3篇)、Applied Catalysis B: Environmental、Coordination Chemistry Reviews (10篇)、Science Bulletin (2篇)、Energy Storage Materials(4篇)、Nano Energy (3篇)、Journal of Energy Chemistry(8篇)、Nano Today等国际期刊上发表第一/通讯作者SCI收录论文200余篇，被引用10000余次，H因子55，26篇论文入选ESI高引论文，7篇论文入选ESI热点论文，授权排名第一发明专利16项。作为主编编著出版《锂离子电池电极材料》《钠离子电池技术与应用》著作2部，其中前者入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。

目前，课题组成员包含教授1名、副教授1名、讲师2名；博士生4名、硕士生16名。主要研究方向包括碱金属离子电池、水系电池、固态电池、电催化及其第一性原理计算、液流电池、锂硫电池、锌空气电池、生物质材料等电化学能量存储与转化研究热点。

课题组常年招聘研究生，欢迎有化学、化工、材料学及物理学背景的同学攻读博士研究生、硕士研究生。联系方式：tfyihit@163.com。