文 章 信 息
超快亲锌离子导体提升低温锌金属电池界面快速脱溶动力学
第一作者：成晓敏
通讯作者：张永正*，王健*，蔺洪振*
研 究 背 景
水系锌金属电池（AZMBs）作为一种高安全、低成本的电化学储能技术，因其高比容量（820 mAh g-1）和合适的氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）而受到广泛关注。然而，析氢反应（HER）、锌腐蚀以及锌枝晶生长严重影响了水系锌电池的性能，尤其在低温工作环境下应用仍面临极大挑战。从本质上讲，上述问题来源于锌离子在电极/电解质界面上的无序行为，包括高的[Zn(H2O)6]2+脱溶能垒和缓慢的Zn2+迁移动力学。基于此，结合合作团队前期在设计界面调控层以降低能垒提升载流子传输动力学等研究基础（Adv. Mater. 2023, 35, 2302828; Angew 2023, 135, e202311693; Adv. Funct. Mater. 2023, 2302624; Adv. Funct. Mater. 2023, 2305674; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212499; ACS Nano 2023, 17, 1653; Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; ACS Nano 2022, 16, 17729; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434; Adv. Sci. 2022, 2202244; Nano Lett. 2022, 22, 8008; Nano Lett. 2021, 21, 3245; Energy. Environ. Mater. 2022, 5, 731），必须合理设计电极/电解质界面，以增强其脱溶剂化能力和离子扩散动力学。
文 章 简 介
针对锌金属电池中的高去溶剂化能垒和缓慢的扩散动力学等问题，中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士（现为洪堡学者）及华东理工大学张永正博士，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Superfast Zincophilic Ion Conductor Enables Rapid Interfacial Desolvation Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries”的观点文章。该文章构筑了具有丰富亲锌位点和超快速离子传输通道的层状硅酸锌纳米片界面层（LZS），能够实现快速的界面Zn2+脱溶动力学和随后的增强Zn2+传输动力学。
图1. Zn@LZS界面层设计及物性表征
本 文 要 点
要点一：Zn@LZS界面去溶剂化光谱表征及界面测试
界面[Zn(H2O)6]2+在沉积前需要经过解离，这是离子快速传输的迫切需要。研究者采用原位界面和频光谱（SFG）监测了有/无偏置电压下界面[Zn(H2O)6]2+的演化过程，揭示了LZS界面层能显著促进[Zn(H2O)6]2+去溶剂化。拉曼也进一步印证LZS能促进[Zn(H2O)6]2+解离。此外，模拟计算也表明LZS层对锌原子具有更强的吸附能力和更低的去溶剂化能垒，进一步表明了LZS去溶剂化作用。
图2. Zn@LZS界面去溶剂化研究
要点二：Zn@LZS界面锌离子传输动力学优化
界面[Zn(H2O)6]2+的脱溶过程决定了随后的离子扩散动力学。通过计算离子电导率（σ）和Zn2+迁移数（）进一步评价了界面去溶剂化能力和Zn2+扩散动力学。一方面，（）和σ增大表明水合锌离子的快速解离和大量裸Zn2+的释放，为后续扩散和成核提供了充足的Zn2+；另一方面，具有丰富纳米级扩散通道的LZS层可以作为Zn2+导体，加速裸Zn2+的横向扩散，使锌沉积层光滑。
图3. Zn@LZS界面锌离子传输动力学优化
要点三：快速脱溶动力学提升沉积剥离可逆性
得益于快速去溶剂化和随后界面裸Zn2+快速传输，Zn@LZS//Cu半电池的库伦效率超过99.8%，并且能稳定循环600圈，证明了LZS层具有优异的沉积/剥离可逆性。组装的Zn@LZS对称电池具有优异的低温循环稳定性。此外，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表明LZS界面层经过循环后，依旧能稳定保持在锌片表面。
图4. Zn@LZS界面层对其电化学性能的影响
要点四：全电池电化学性能提升
LZS界面层也显著提升了Zn@LZS//V2O5-x全电池的电化学性能。组装的Zn@LZS//V2O5-x全电池具有优异的低温循环稳定性、倍率性能和低自放电率，组装的大尺寸软包在1 A g-1下循环100次后可获得367 mAh g-1的高容量，并且成功为手机充电，赋予了LZS人工界面层巨大的应用潜力。
图5. Zn@LZS//V2O5-x全电池电化学性能
文 章 链 接
Superfast Zincophilic Ion Conductor Enables Rapid Interfacial Desolvation Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202401629
通 讯 作 者 简 介
王健 博士，洪堡学者，现工作于德国KIT-HIU电化学能源研究所，曾主持德国洪堡研究项目等，参与国家自然科学基金原位表征重点项目、科技部重点研发项目。研究方向为高催化性能二次电极设计与合成及原位表征手段。发表论文80余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Mater.(2)、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.(3)、ACS Nano(3)、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. (6)、Adv. Sci.（2）、Energy Storage Mater. (5)、Nano Energy、InfoMat、Energy Environ. Mater.(2)、ACS Energy Lett.等期刊发表50篇，担任Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Adv. Funt. Mater. Energy Storage Mater.等高水平期刊独立审稿人。授权13项国家发明专利，在国际会议多次汇报研究进展。
E-mail：jian.wang@kit.edu
张永正 博士：华东理工大学化工学院博士后，主要研究方向为二维纳米材料的表界面设计、制备及其在高性能二次电池领域的应用。以第一/通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等期刊发表SCI论文20余篇，其中ESI高被引论文2篇。承担有中国博士后科学基金面上资助、上海市启明星项目（扬帆专项）等多项课题。
E-mail：zhangyongzheng@ecust.edu.cn
蔺洪振 研究员：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。研究方向为原位界面和频振动光谱技术的开发与运用、高能量二次电池的电极设计与制备、石墨烯材料的相关运用。着重发展了原位和频振动光谱技术，搭建仪器设备和拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、JACS、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Angew.Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano和Nanoscale等物理化学及纳米研究领域国际重要期刊上发表学术论文近120篇。
E-mail: hzlin2010@sinano.ac.cn
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