无负极锌电池10 mA cm⁻²下循环超16000次！中南大学方国赵&贵州大学郭珊，最新JACS！

无负极水系锌电池以无锌集流体替代锌金属负极，实现零过量锌操作和最大负极利用率。在此构型中，锌在充电时于集流体上沉积，放电时剥离，使得全电池对任何可循环锌的损失都极为敏感。当扩展至高面容量运行和大面积软包电池时，要求锌沉积/剥离在整个集流体上保持空间均匀和高度可逆。这一挑战在锌碘化学中尤为突出，因为碘氧化还原过程中产生的可溶性多碘化物可通过电解液迁移，引发穿梭驱动的容量衰减，并化学侵蚀新生的负极界面。因此，实用的无负极锌碘电池既需要在高利用率条件下实现可逆的锌沉积/剥离，也需要有效抑制多碘化物诱导的界面退化。

2026年9月8日，中南大学方国赵教授、贵州大学郭珊教授在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Machine-Learning-Guided Molecular Design for Dynamic Self-Activating Interface toward Ah-Level Anode-Free Zn-I₂ Pouch Cells”的研究论文。该工作将机器学习指导的多碘化物调控与动态界面重构相结合，建立了自激活的锌沉积路径，实现了Ah级无负极锌碘软包电池的可逆循环。

研究团队首先建立了DFT监督的机器学习工作流，用于筛选多碘化物约束添加剂。初始数据集包含59种有机分子，涵盖醚类、醇类、酮类、胺类和酯类等化合物。对每个分子提取23种物理化学描述符，DFT计算的I₃⁻结合能作为监督标签。五种回归模型评估后，CatBoost表现出最高预测精度，留出交叉验证R²达0.714。SHAP分析识别出HOMO、LUMO、分子量、氢键受体数量、可旋转键数、密度、偶极矩和H-C-O单元数量为主要描述符。基于此，筛选出四甘醇具有最强的I₃⁻结合亲和力，其柔性聚醚链上多个O-C-H单元可与I₃⁻发生多齿弱相互作用，实现协同稳定。将该原则拓展至聚乙二醇体系，更长链的PE4000使多碘化物溶液几乎完全褪色，形成PE4000富集的底部约束相。原位紫外-可见光谱显示PE4000在电化学过程中将I₃⁻相关信号抑制至检测限以下。

在PE4000调控的电解液环境中，Sn集流体展现出优于Cu和Zn的锌沉积动力学。Sn的表面氧化物层在首圈充电中被部分还原，Sn 3d XPS中低结合能组分增强，同时出现Zn 2p信号，证实Zn-Sn耦合界面的形成。Zn(101)与Sn(211)的晶格失配仅3.67%，使Sn(211)成为Zn(101)择优取向的结构模板。STEM-EDS和HRTEM确认沉积Zn沿(101)取向生长。更重要的是，PE4000调控了Sn²⁺/Sn界面转换的可逆性，使无PE4000时强烈且不对称的Sn²⁺/Sn氧化还原特征在PE4000存在时变得微弱且高度可逆，实现了动态Zn-Sn界面重构和持久的亲锌位点再生。无负极Zn-I₂扣式电池在10 mA cm⁻²下循环超16000次，平均库仑效率99.8%。单层软包电池在4.65 mAh cm⁻²面容量下运行3599圈，回收的Sn集流体可直接组装新电池并再循环1000圈。多层Ah级软包电池初始容量1.7 Ah，在6 mA cm⁻²下循环约2800圈，平均库仑效率99.4%，累积输出容量2390 Ah。

1、建立DFT监督机器学习筛选框架，揭示O-C-H多齿弱相互作用和链辅助限域为多碘化物约束的关键分子设计原则，指导PE4000的理性选择。

2、PE4000调控Sn²⁺/Sn界面可逆转换，实现动态Zn-Sn界面重构和持久的亲锌位点再生，无负极扣式电池10 mA cm⁻²下循环超16000次。

3、Ah级多层软包电池循环2800圈累积容量2390 Ah，回收Sn集流体可复用，为高利用率无负极水系卤素电池提供了系统级界面匹配策略。

图1 机器学习指导的多碘化物约束分子设计

图2 PE4000介导的多碘化物约束与电解液微环境调控

图3 PE4000调控Sn氧化还原活化实现分阶段锌沉积

图4 动态Zn-Sn界面重构实现自激活锌沉积

图5 PE4000稳定的动态Zn-Sn界面实现长期可逆性

图6 Ah级无负极锌碘软包电池的验证

本研究将机器学习指导的多碘化物约束与动态界面重构相结合，实现了Ah级无负极锌碘软包电池的高可逆循环。DFT监督机器学习筛选出PE4000作为多碘化物约束添加剂，其O-C-H多齿弱相互作用和链辅助限域协同抑制穿梭效应并保护Sn/Zn界面。在受保护电解液环境中，可逆的Sn²⁺/Sn界面转换维持自激活Zn-Sn重构，提供持久亲锌位点并引导均匀锌沉积。无负极扣式电池超16000次循环，Ah级软包电池累积输出容量2390 Ah，回收Sn集流体可复用。该工作为高利用率无负极水系电池的界面匹配策略提供了系统设计方案。

文献链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c15211

文章来源：新能源前沿