哈工大黄燕教授团队，ACS Nano: 离子筛界面层助力高锌利用率下金属锌负极的超长循环，实现61 Wh/kg的温和水系软包电池

第一作者：凌苇，聂辰熙

通讯作者：罗光富*，黄燕*

单位：哈尔滨工业大学（深圳），南方科技大学，湖南农业大学

水系锌离子电池具有低成本、组装工艺简便、安全可靠和环境友好等优势，在消费电子、柔性器件和静态储能等领域展现出较大的应用潜力。然而，金属锌负极在长循环过程中容易发生析氢反应、腐蚀/钝化和枝晶生长等问题，极大地限制了水系锌离子电池的循环稳定性和库伦效率（CE）。特别是在高锌利用率较高的情况下，超薄锌负极更容易出现上述问题，且其循环稳定性对于离子电池的整体能量密度和实际使用寿命有着至关重要的影响。为此，本文在超薄金属锌负极表面构建离子筛界面层，促进界面处锌离子传输和去溶剂化作用，以及降低锌沉积过电势和抑制副反应发生，从而实现了高锌利用率下锌负极的可逆沉积和高能量密水系软包电池。

近日，来自哈尔滨工业大学（深圳）的黄燕教授与南方科技大学的罗光富副研究员合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Ion Sieve Interface Assisted Zinc Anode with High Zinc Utilization and Ultralong Cycle Life for 61 Wh/kg Mild Aqueous Pouch Battery”的研究文章。研究者采用化学置换法在超薄金属锌负极表面原位构筑离子筛界面保护层，促进锌离子去溶剂化和显著降低锌沉积过电势，并有效抑制副反应发生，与高负载量自支撑钒基正极匹配后，组装的软包电池整体能量密度可达到61 Wh kg^-1, 已超越目前铅酸电池的水平。

采用简单的喷涂方式将SnF₂的异丙醇溶液均匀地分散在超薄金属锌负极（20 μm）表面，基于化学置换反应机制原位和快速地生成多功能界面保护层(Zn + SnF₂  xSn + yZnF₂ + zZnSnF₆)。该离子筛界面层主要由Sn(211)、ZnF2(111)、ZnSnF6(104)和Zn(002)组成，形成异质界面结构。值得注意的是，ZnSnF6是锌负极界面保护层中首次发现的物相，有助降低Zn²⁺去溶剂化和锌金属沉积的能垒。

一方面，界面保护层中异质的界面结构能够提供快速的锌离子传输通道，起到纳米筛的传导作用；另一方面，主要源于Sn和ZnSnF₆的作用，界面保护层能够显著降低锌金属沉积过电势，以及促进水合锌离子的去溶剂化作用，并能有效抑制析氢反应，展现出类似离子筛的作用机制。

离子筛界面层可以大幅提升高锌利用率下对称电池的倍率性能和长循环稳定性。在50%锌利用率条件下，基于离子筛界面层的对称电池在30 mA cm^-2的大电流密度下依然可以保持250 h的稳定循环，且原位和非原位表征证实锌金属能够在离子筛界面层之下进行高度可逆的致密沉积，有助于提升高锌利用率下金属锌负极的沉积效率和循环稳定性。

组装高面容量纽扣全电池（~6.0 mAh cm^-2）后，ZnSnF@Zn||Self-MVO在5.0 A g^-1下的正极比容量和能量密度分别为200 mAh g^-1和118.3 Wh kg^-1，且在20.0 mA cm^-2下，1000次循环后其能量密度保持率可以达到94.3%。

在10 mA cm-2的电流密度下，基于离子筛界面层的软包电池初始整体能量密度可达到61.3 Wh kg^-1，经过300次循环后依然具有76.7%的能量密度保持率，且循环后其容量保持率达到85.3%（0.53 Ah），展现出较大的实用化潜力。

“Ion Sieve Interface Assisted Zinc Anode with High Zinc Utilization and Ultralong Cycle Life for 61 Wh/kg Mild Aqueous Pouch Battery”

黄燕教授简介：哈工大（深圳）教授、博士生导师。入选国家级青年项目，广东省杰出青年科学基金获得者，深圳市青年科技奖获得者。迄今为止已在Nature Commun.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.; ACS Nano等国际权威期刊发表论文130余篇，被Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊评价和引用15000余次，17篇论文被入选为ESI高被引论文，H指数56。

罗光富教授简介，南方科技大学材料科学与工程系助理教授。北京大学凝聚态物理专业博士。先后在日本分子研究所、美国威斯康星大学麦迪逊分校、美国圣路易斯华盛顿大学从事博士后、助理研究员工作。主要从事固体材料的第一性原理计算模拟，研究先进功能材料的电子和光学性质、缺陷结构和动力学过程。目前在包括Nature Materials, Advanced Materials, Nano Letters, NPG Asia Materials等杂志上发表论文60余篇，授权发明专利1项。

凌苇博士简介，2023年于哈尔滨工业大学材料科学与工程专业博士毕业，就职于湖南农业大学化学与材料科学学院。近年来，主要从事水系锌基电池和液流电池的设计与器件研究，目前已发表SCI论文38篇，其中以第一作者在Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Adv. Sci. 等期刊杂志上发表SCI论文14篇，授权国家专利6项，主持一项湖南省教育厅优秀青年项目。

课题组立足于开发高安全的水系电化学能源材料和柔性及可穿戴能源器件，主要研究高性能水系电池、热化学电池、固态电池和液流电池，并设计开发柔性可穿戴高安全电化学能源器件。从材料合成到器件制备，结合物理表征、电化学表征、理论计算和实用模型验证，横跨无机化学、有机化学、高分子材料、电化学等多门学科，全面分析与研究能源材料与器件的性能特点与工作原理。课题组主页： http://flexenergy.hitsz.edu.cn/