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南京邮电大学马延文/赵进团队最新Nano Research：坚固界面工程设计助力柔性锌金属电池

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-02 16:14

正文

【研究背景】

柔性储能技术在柔性电子领域中至关重要，尤其是水系锌离子电池（AZIBs），因其安全性高、锌资源丰富、理论容量大且成本低，成为柔性储能技术的热点。然而，在面对柔性应用场景时，锌金属负极（ZMAs）容易在反复的沉积/溶解过程中生长枝晶或产生副反应，这不仅影响电池的稳定性和可逆性，还可能导致电池失效。为了解决这一问题，研究人员采用了包括界面改性、电解液优化、晶体结构调控等多种方法。特别是界面改性，通过在锌金属表面构建保护层，有效抑制枝晶生长，是提高锌负极稳定性和可逆性的有效途径。但在柔性状态下，如何调节锌的沉积行为仍然是一个未完全解决的问题。

【成果简介】

近日，南京邮电大学的马延文教授、赵进教授和陈剑宇副教授团队，联合阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的王翌州博士后研究员，设计了一种坚固的界面膜（RIL），有效稳定了柔性水系锌离子电池中的锌金属负极。RIL界面膜能够捕获锌离子，并在锌金属表面形成均匀的离子通道，有效抑制锌枝晶的生长。同时，RIL薄膜的高机械强度能够缓解电极弯曲时产生的应力，防止枝晶生长，促使锌均匀沉积，从而提高锌基电池的稳定性和可逆性。研究表明，采用RIL膜的锌负极在半电池、对称电池和全电池中展现出了优异的电化学性能，尤其是在弯曲状态下，RIL/Zn | MnO ₂ 柔性软包电池也表现出了稳定的循环性能。这一研究为柔性水系锌离子电池的发展开辟了新前景，并为下一代可穿戴设备中的水系电池提供了实用解决方案。该成果已发表在中国领军期刊《Nano Research》上，题为“Stabilizing zinc anodes with robust interfacial layer at bending states toward flexible zinc batteries”。

【核心内容】

一、研究工作主要创新点

为了促进水系锌离子电池在柔性储能器件中的应用，团队设计的RIL界面膜能有效稳定在极端弯曲条件下的锌沉积。与裸锌负极的枝晶生长相比，RIL薄膜均匀化了锌离子的通量，减少了枝晶形成，甚至在极端弯曲（180°）的情况下，也能保持锌的均匀沉积（图1）。

图1 . (a) 裸Zn和 (b) RIL/Zn负极在平面和弯曲状态下的锌负极沉积行为示意图。

二、材料制备及结构性质表征

RIL膜采用相转化法制备，具有大面积制备和厚度可调的优点。该膜具有良好的亲水性和较强的机械强度，能有效抑制副反应并促进锌的平面沉积。通过电化学测试和理论计算，研究人员证明RIL膜的磺酸基基团有助于诱导锌在（002）平面上优先沉积（图2）。

图2 . (a) RIL制备过程示意图，(b) 大面积RIL数码照片，(c) RIL弯曲状态的SEM图像，(d) 磺化前后RIL的FTIR光谱，(e) RIL/Zn和裸Zn负极接触角测试，(f) RIL的拉伸试验，(g) 裸Zn和RIL在锌负极表面的吸附能比较，(h)裸Zn和RIL/Zn负极的对称电池的活化能E _a ，(i) RIL/Zn和裸Zn负极的Tafel曲线，(j) 在2 M ZnSO ₄ 电解液中浸泡7天后，RIL/Zn和裸Zn负极的XRD谱图。

三、锌沉积行为及弯曲状态下应力与沉积过程的研究

在不同条件下，RIL薄膜和裸锌电极的锌沉积行为呈现显著差异。无论在平面还是弯曲状态下，RIL/Zn负极都表现出平稳均匀的锌沉积，而裸Zn则出现了枝晶生长。通过原位光学显微镜观察，RIL/Zn在弯曲状态下仍保持均匀沉积，而裸Zn表面则出现大量枝晶。（图3）。

图3 . RIL/Zn和裸Zn负极表面锌沉积形貌的演变。沉积量为(a) 0.2, (b) 1和(c) 5 mAh cm ^-2 的RIL/Zn电极表面的SEM图像沉积量为5 mAh cm ^-2 的RIL/Zn (d)平面电极和(e)弯曲电极的SEM截面图，沉积量为(f) 0.2, (g) 1和(h) 5 mAh cm ^-2 的裸Zn负极表面的SEM图像，沉积量为5 mAh cm ^-2 的裸Zn (i) 平面电极和(j) 弯曲电极的SEM截面图，(k) 弯曲条件下的RIL/Zn和(l)裸Zn的原位光学显微镜，弯曲作用下(m) RIL/Zn和(n)裸Zn负极表面锌沉积形貌示意图，弯曲条件下(o) RIL/Zn和(p) 裸Zn电极表面初始应力分布的COMSOL模拟及(q) RIL/Zn和(r) 裸Zn负极电荷密度分布的COMSOL模拟。

四、RIL/Zn负极的电化学性能

研究人员通过组装Zn | Cu半电池和对称电池，验证了RIL对提高锌沉积稳定性和电池循环性能的作用。使用RIL界面膜的半电池表现出极高的库仑效率和长时间的稳定性。对称电池在长时间循环后仍保持低极化电压，并且在平面和弯曲状态下，RIL/Zn软包电池显示出优异的循环稳定性（图4）。

图4 . RIL/Zn和裸Zn负极的电化学稳定性测试。(a) RIL/Zn和裸Zn半电池在2 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 下的库仑效率, (b) RIL/Zn半电池相应的充放电曲线， (c) RIL/Zn和裸Zn半电池在5 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 下的库仑效率, (d) RIL/Zn半电池相应的充放电曲线， (e) RIL/Zn和裸Zn扣式对称电池在0.5 mA cm ^-2 和0.5 mAh cm ^-2 下的循环性能比较， (f) 对称电池循环200次后RIL/Zn和裸Zn的SEM图像及(g) 对应的XRD图谱， (h) RIL/Zn和裸Zn软包对称电池在5 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 下的循环性能比较， (i) RIL/Zn和裸Zn软包对称电池且弯折180°在5 mA cm ^-2 和1 mAh cm ^-2 下的循环性能比较。

为验证RIL/Zn负极的实际应用，研究团队组装了RIL/Zn | MnO ₂ 全电池，结果表明，RIL/Zn负极的电池表现出较小的极化，较高的比容量和更低的电化学阻抗。即使在弯曲状态下，RIL/Zn | MnO ₂ 全电池仍能稳定工作，证明了其在柔性可穿戴设备中的潜力。

【结论展望】

该工作通过简便普适的方法巧妙地设计了一种坚固的界面层（RIL），用于稳定用于柔性储能装置的锌金属负极，RIL界面膜可以捕获锌离子并在锌金属负极表面构建均匀的离子通道，有效抑制锌枝晶生长。此外，RIL薄膜具有较强的机械强度，可以缓解金属电极弯曲过程中应力积累引起的枝晶生长，诱导锌均匀平面沉积，从而增强水系锌离子电池的稳定性和可逆性。RIL膜不仅改善了锌负极的沉积行为，还增强了电池的循环性能。该研究为柔性水系锌离子电池的进一步发展奠定了基础，并为未来可穿戴设备中水系电池的应用提供了可行的解决方案。

【文献详情】

Jianyu Chen, Yuwei Zhu, Fanlai Zhang, Yizhou Wang*, Wendi Xu, Yu Zhang, Li Shi, Xing Qiang, Yanwen Ma*, and Jin Zhao* “ Stabilizing zinc anodes with robust interfacial layer at bending states toward flexible zinc batteries ”

文章链接： Nano Research , 2025 , 18 , 94907224. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907224

【研究团队简介】

马延文，教授，博士生导师，现为苏州工业职业技术学院校长，南京邮电大学纳米材料研究所所长。研究方向为先进能源材料与器件和纳米柔性材料与器件。已在 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci.、Nano Lett.、ACS Energy Lett.、ACS Nano、Nano Energy 等国际著名的材料和能源类学术期刊上发表 SCI 论文 160 余篇，被 SCI 引用 11000 余次，获授权专利 33 件，研究成果得到了英国皇家化学会 Chemistry World、美国化学会 Chemical & Engineering NEWS 等学术媒体的专题评述。入选江苏省“333工程”第三层次培养对象、江苏省六大人才高峰（A类）、“青蓝工程”学术带头人。担任江苏省材料学会副理事长，中国石墨烯标准化委员会委员；南京市工业和信息化专家库专家；担任 Materials Science for Energy Technologies 杂志编辑、Recent Patents on Materials Science 杂志编辑顾问。

赵进，教授，博士生导师，2019年12月加入南京邮电大学材料科学与工程学院。主要围绕纳米能源材料与新型电化学储能技术开展研究，在超级电容器、锂/钠离子电池、水系锌离子电池电极材料的设计、可控制备、调控机制和储能机理方面取得了系列成果。以第一/通讯作者在Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Energy Lett.、Nano Lett.、ACS Nano、Nano Energy等高水平期刊发表SCI论文60余篇，其中ESI高被引论文4篇，单篇最高引用780余次，总引用6300余次。主持国家自然科学基金青年基金，江苏省自然科学基金青年基金等项目，入选江苏特聘教授（特别资助），江苏省“双创博士”，任江苏省材料学会秘书处副秘书长。

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