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电子科技大学孙威和张宝AEM：原位监测动态吸附主导的界面缓冲实现高稳定锌金属电池

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-16 00:38

正文

【研究背景】

水系锌金属电池具有理论容量高、安全和经济实惠等优点，是一种前景广阔的电化学储能设备。然而，由于锌/电解质界面的副反应，实现稳定高效的锌电镀/剥离仍然是一项重大挑战。电解质调节和界面优化被认为是有效的策略，但对其基本机理，尤其是以吸附为主的界面行为仍然缺乏深入的了解和剖析，关于锌电镀/剥离动态过程中的界面演变还存在研究空白。

【工作介绍】

近日，电子科技大学能源材料界面（Energy Materials Interfaces, EMI）团队的孙威教授和张宝特聘研究员在计算模拟筛选的基础上采用独特的氮杂环状分子和原位监测技术，揭示了动态吸附主导的界面缓冲调控在锌金属电池中的关键作用。结合原位电化学石英晶体微天平(eQCM)测量和恒电位分子动力学模拟，确定了响应交变电场的动态吸附行为是调节金属-电解质界面的关键。这种动态吸附在锌负极-电解液界面上提供了强大的pH缓冲作用，促进了有序、均匀的镀锌/剥离。因此，锌基半电池和全电池的电化学性能显著提高，为水系锌金属电池功能电解质添加剂的开发提供了全面的见解。该研究成果以“ In Situ Monitoring of Dynamic Adsorption-Induced Interfacial Buffering Toward Highly Stable Zinc Metal Batteries” 为题发表在国际期刊 Advanced Energy Materials 上，团队2023级博士生段安为本文第一作者。

【内容表述】

1. 特异性吸附分子的结构设计和模拟筛选

通过密度泛函理论（DFT）计算，对不同类型的潜在有机分子进行界面吸附量化，并结合对电解质基本参数的分析，确定了富含氮元素的最佳分子构型。多种特异性吸附表征（石英晶体微天平QCM、zeta电势）和计算模拟（吸附能、静电势、分子动力学模拟）用来验证氮杂环状分子的界面吸附行为。

图1. （a）不同调控分子的吸附能计算；（b）调控分子电解液的离子电导率和pH；（c）Cyclen分子的QCM频率响应；（d）界面水分子密度模拟；（e）分子动力学模拟的侧视图和俯视图。

2. 动态界面吸附的实时表征

结合电化学石英晶体微天平（eQCM）测量和恒电位分子动力学（MD）模拟，揭示了锌/电解液界面的动态吸附行为。Cyclen分子由于水解产生阳离子，能在电场驱动下发生可逆的动态吸附和迁移，移动方向与锌离子一致。恒电位分子动力学模拟也验证了Cyclen分子的动态吸附和富集过程主要发生在界面，能有效参与锌沉积-剥离过程的调控。

图2. （a）交变电场下eQCM的频率响应；（b）CV扫描过程中界面质量变化；（c）恒电位分子动力学模拟下吸附分子数量；（d）恒电位分子动力学模拟下Cyclen分子的二维分布图。

3. 界面pH缓冲效应的原位监测

通过原位pH值测量和原位ATR-IR技术，展示了动态吸附如何促进锌金属-电解液界面形成稳定的pH环境。

图3. （a、b）不同电解液体系下锌负极的表面行为；（c、d）原位pH监测；（e、f）锌电镀-剥离过程的原位红外。

4. 锌沉积优化和电化学性能提升

基于动态吸附的界面缓冲调控促进了锌电镀的均匀性，有效减少了界面pH波动引起的副反应。该策略大大提升了锌负极的循环稳定性和可逆性，从而增强了锌金属电池的电化学性能。

图4. （a、b、c）界面吸附引导的表面过电位；（d、e）锌沉积的原位光学显微镜图像；（f）锌沉积的XRD谱图；（g、h）锌沉积的CLSM图像。

图5. （a、b、c、d）基于动态吸附调控的Zn//Zn和Zn//Cu半电池性能；（e、f）Zn//PNZ扣式电池和软包电池的循环性能。

An Duan, Sha Luo, Yuyang Tang, Yu Feng, Ming Li, Bao Zhang*, Wei Sun*, In situ Monitoring of Dynamic Adsorption-Induced Interfacial Buffering Toward Highly Stable Zinc Metal Batteries, Advanced Energy Materials , 2025, DOI:10.1002/aenm.202404693

作者简介

孙威，电子科技大学材料与能源学院教授、博士生导师，入选国家级青年人才计划。2011年和2017年在华南理工大学获得工学学士和博士学位，曾先后在美国马里兰大学、德国明斯特大学从事研究工作。致力于解决新型二次电池在“机理解析-性能优化-器件构筑”环节的关键问题。主持国家自然科学基金青年基金一项、NSAF联合项目一项和四川省自然科学基金项目两项。近年来发表学术论文30余篇，第一作者、通讯作者文章包括《Science》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Energy Environ. Sci.》等期刊。曾主持和承担两项德国科教部（BMBF）电池研究项目，获美国电化学协会博士后研究奖（两名获奖人之一，2021），并受邀担任德国-以色列科技联合基金项目评审专家，Nature、AAAS、ACS、Wiley等多个出版社的期刊审稿人。

张宝，电子科技大学材料与能源学院特聘研究员，博士生导师。于2015年和2019年在华中科技大获得本科和博士学位，曾先后在华科、华为数字能源以及新加坡南洋理工大学从事研究工作。长期从事能源材料计算模拟与设计，基于多尺度计算模拟方法，探究材料表界面反应路径及调控机制。迄今为止，以一作（共一）和通讯身份在Nat. Energy、Joule、Nat. Commun.、Chem、JACS等知名期刊上发表论文20余篇，总引用9500余次，H指数49，23-24连续两年入选科睿唯安高被引学者榜单。

孙威教授团队依托电子科技大学材料与能源学院，致力于发展多维表征技术和多尺度计算模拟方法，系统探索电池内部的表界面微观结构、作用机制和调控规律，解决新型电池体系面临的稳定性和可逆性挑战。重点研究方向包括水系金属（锌、镁、铝）空气电池、锂离子电池电解质与高比容负极（锂金属、硅碳）界面、能源材料多尺度计算与AI设计以及电化学原位表征技术。应课题组发展需要，拟招聘青年教师 1-2名、博士后 1-2名、科研助理2名，欢迎具有材料、物理、化学和化工等相关学科教育背景和研究经历的青年才俊加盟。

课题组详情请见：https://www.x-mol.com/groups/sun wei

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