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【研究背景】

锌金属负极的温度依赖性限制了水系锌基电池（AZBs）的应用环境。在高温环境下，锌负极与常规水系电解液的反应动力学加快，主要特征为界面处发生明显的氢气析出和枝晶生长等副反应。因此，研发具有高温适应性和高循环稳定性的锌金属负极对于水富年系锌电的储能应用十分重要。

【成果简介】

近日，深圳理工大学梁国进与哈尔滨工业大学（深圳）莫富年等人在锌金属负极表面制备氟化物外层和锡内核复合而成的界面保护层。通过结合氟化物的遮蔽作用和锡金属的亲锌特性，此保护层能够在高温环境下抑制析氢等副反应，使锌负极表面的电场和热场均匀分布，从而提高锌金属负极匹配常规水系电解液在高温环境运行的循环稳定性。该成果以“Constructing a Fluoride-Ion Tunnel-Structured Interface to Stabilize the Zn Metal Chemistry at 50 °C”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials。

图1. 室温和高温环境下锌负极的失效机制和保护机制

【研究内容】

为了实现水系锌电的高温应用可行性，不仅需要提高锌负极与常规电解液的兼容性，同时需保证制备工作的简易性。本文通过设计锌金属与氟化溶液的原位反应，在其表面构建了氟化锌与锡金属复合的多功能保护层。

图2. 复合界面的制备过程及其结构表征

在复合材料界面层中，外层界面主要由氟化锌组成用于隔绝自由水与锌金属的直接反应，内层锡可作为亲锌位点加速沉积反应。多功能复合界面可有效提高锌离子转移数，并实现锌负极表面电场的均匀分布。

图3. 锌负极复合界面层的元素分布情况和电场模拟

基于对副反应的抑制，具有复合界面的锌金属负极能够在常规水系电解液中稳定循环。

图4. 室温下锌负极的循环稳定性

与原始锌金属负极相比，具有氟化物和锡复合界面的锌金属负极在高温环境下仍然能够稳定循环，并实现对析氢和枝晶生长等副反应的抑制。通过仿真发现，热场能够在具有保护层的锌负极表面均匀分布。

图5. 高温下锌负极的循环稳定性及表面形貌和热场模拟

通过进一步的应用性研究，具有复合界面的锌金属负极与碘组成的全电池在高温环境下能够稳定循环，证实该策略对于水系锌电在高温环境下的应用可行性。

图6. 全电池循环稳定性

综上所述，通过简易高效的方法使氟化物保护层与亲锌金属有效结合形成复合界面，该界面在抑制析氢等副反应的同时稳定负极表面物理场，使锌金属在高温环境中具有良好的循环稳定性。基于材料特性设计的复合界面策略提高了锌金属负极与常规水系电解液在高温环境中的兼容性，为推进水系锌离子电池的高温应用提供方案。

Yihan Yang, Guangmeng Qu, Zhiquan Wei, Tao Hu, Yichan Hu, Zijian Wei, Funian Mo^*, Hongfei Li, Guojin Liang^*, Constructing a Fluoride-Ion Tunnel-Structured Interface to Stabilize the Zn Metal Chemistry at 50 °C. Adv. Funct. Mater. 2024.

https://doi.org/10.1002/adfm.202409950

作者简介

梁国进，深圳理工大学材料科学与能源工程学院助理教授。在水系储能电池技术领域，尤其是在水系电池的关键材料设计和电荷存储机理的探索方面，积累了丰富经验，发表了一系列高水平的研究成果。在 Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology (News & Views)、Nature Communications、 Advanced Materials 、Energy Environmental Science、Angew. Chemie 等国际权威学术期刊发表第一（含共一）/通讯文章 20 余篇。

莫富年，哈尔滨工业大学（深圳）助理研究员。2020年博士毕业于香港城市大学材料科学与工程学系。研究工作主要围绕先进电化学能源材料的设计开发及其在柔性和可穿戴领域的应用研究，如柔性水系锌离子电池，功能化水凝胶电解质，可穿戴传感器等，熟悉掌握各种高分子合成技术，柔性储能器件制备技术和性能测试手段。近年以第一作者/通讯作者身份分别在Nature Reviews Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Science Bulletin、Science China Materials、EcoMat等重要期刊发表论文10余篇，获得PCT授权专利3项。