华北理工大学何章兴教授团队Chem. Eng. J. ：有机/无机人工保护层双重效应助力高性能锌金属负极

第一作者：杜英晓

通讯作者：朱靖，戴磊，何章兴

单位：华北理工大学

水系锌离子电池（AZIBs）因其低成本、高安全性、低氧化还原电位和高理论容量被认为是最有前途的储能系统。然而，锌负极存在枝晶和副反应（腐蚀、钝化和析氢）等问题，严重阻碍了AZIBs的实际应用。目前，界面改性策略是提高锌负极界面稳定性和缓解锌离子无序生长的最有效方法之一。但是大多数界面改性策略都是通过单一的有机或无机保护层来实现的。这种方法会受到材料本身的限制，所产生的保护层作用单一。因此，将有机和无机材料复合作为负极保护层是一种很有前景的改性策略。

聚丙烯腈（PAN）对锌离子电镀/剥离引起的体积变化具有良好的柔韧性和适应性，在AZIBs中具有较好的应用潜力。而且，PAN含有氰基官能团，氰基与锌离子之间的强配位有助于锌离子的传输。无机材料具有良好的耐腐蚀性、稳定的结构和良好的热稳定性。作为无机材料的一种，钛硅分子筛（TS）不仅具有上述优良特性，还具有高比表面积和多孔结构。因此，构建了PAN-TS复合人工保护层对锌负极进行改性（Zn@PAN-TS），PAN-TS复合人工保护层同时具有PAN和TS材料的优点。

适当比例的PAN和TS复合涂层可以增强锌离子迁移动力学，从而实现更稳定的电镀/剥离过程。通过研究不同比例复合涂层对电池性能的影响，确定PAN与TS的比例为50:1时性能最佳。通过组装全电池，研究了保护层的有效性及其对锌离子电镀/剥离行为的影响。Zn@PAN-TS 50:1全电池在电流密度为0.3 A g^-1的条件下循环500次后，仍能保持217.2 mAh g^-1的高放电比容量和81.1%的容量保持率，而裸锌全电池的容量保持率仅为26.4%。

当锌离子沉积在负极上时，复合人工保护层的PAN中含有极性氰基，对锌离子有配位作用，破坏了Zn[H₂O]₆²⁺的溶剂化结构。同时TS中的纳米通道对锌离子的传输产生了离子限域效应。因此，PAN-TS复合人工保护层建立了一个快速、有序的锌离子传输通道，通过脱溶促进了锌离子的沉积过程。裸锌和Zn@PAN-TS 50:1电极在循环后的XRD谱图和SEM图像显示，Zn@PAN-TS 50:1电极循环后没有出现副产物特征峰且表面平整光滑，表明PAN和TS复合人工保护层能有效抑制负极表面枝晶生长和副产物的生成。

Dual effect of organic/inorganic artificial protective layer to construct high-performance zinc metal anode

何章兴，教授，硕士生导师，河北省“杰出青年”基金获得者。2013年于中南大学获应用化学专业博士学位，2014年就职于华北理工大学化学工程学院。主要致力于能源与环境领域相关研究，具体包括水系锌离子电池、全钒液流电池、水系锂离子电池、废水处理等。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金杰出青年基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目、华北理工大学杰出青年基金等课题。