近日，吉林大學物理學院新型電池物理與技術教育部重點實驗室王義展教授課題組在水系鋅離子電池研究方面取得新進展。研究成果以“Suppression of Interfacial Water Layer with Solid Contact by an Ultrathin Water Repellent and Zn2?Selective Layer for Ah-Level Zinc Metal Battery”為題，發表在《Energy & Environmental Science》上。
 

　　水系鋅金屬電池因其低成本、高安全性和環保特性，被認為是未來儲能領域的重要解決方案。然而，鋅負極的不穩定性，包括不可控的枝晶生長及副反應，嚴重限制了其長期循環性能和實際應用。研究表明，鋅負極在沉積過程中易受析氫反應(HER)的影響，導致能量效率降低和電極腐蝕。此外，界面水層的存在進一步加劇了副反應的發生，影響鋅離子的均勻沉積。為解決這一關鍵問題，該研究提出了一種基于超薄、疏水且鋅離子選擇性的納米膜的新策略，以消除界面水層，提升鋅負極的穩定性。
 

圖1. FeHCF納米膜的阻水與鋅離子傳導性能
 

　　該研究構建了由雙十八烷基二甲基銨(DODA)和普魯士藍(FeHCF)組成的納米膜。DODA賦予膜層優異的疏水性能，有效阻斷水分子滲透，而FeHCF的三維框架結構和氧化還原活性鐵中心則充當法拉第離子泵，促進鋅離子高效傳輸。FeHCF納米膜顯著降低界面處的水分含量，減少析氫副反應，提高鋅負極的庫侖效率。圖1直觀展示了FeHCF納米膜的阻水性能。研究人員通過H型容器擴散實驗發現，FeHCF納米膜的水滲透率僅為0.000028 mol m-2h-1Pa-1，相比未修飾的PP隔膜降低了一個數量級。實驗測得Zn2+遷移數從裸鋅的0.41提高至0.76，確保鋅離子的快速傳輸。在5 mA cm-2 的電流密度下，鋅負極可穩定循環超過10,000次，庫侖效率高達99.91%。FeHCF納米膜顯著促進了鋅離子的均勻沉積和剝離，從而提升了鋅負極的整體性能和循環壽命。
 

圖2.相關全電池性能測試
 

　　在實際電池測試中，該納米膜顯著提升了全電池的性能。采用FeHCF/Zn負極的Zn||I2電池在5 A g-1的高電流密度下可穩定循環10,000次，容量保持率遠高于裸鋅電池。此外，在109 mA cm-2(150 C倍率)極端工況下，該電池實現了65,000次超長循環壽命，累積容量達31,319 mAh(圖2)。研究團隊進一步組裝了Ah級軟包電池，以驗證該技術的可擴展性。FeHCF/Zn軟包電池在0.84 Ah放電容量下可穩定循環500次，在1.31 Ah放電容量下也能維持40余次循環，展現出優異的穩定性。這項研究為水系鋅電池的長期穩定運行提供了新的界面調控策略。通過消除界面水層并優化Zn2+傳輸，FeHCF納米膜不僅有效提高了電池的循環壽命，還為將來可能的儲能應用提供了可靠的技術支撐。
 

　　論文第一作者為吉林大學物理學院2022級凝聚態物理專業碩士研究生徐紫薇，通訊作者為吉林大學物理學院王義展教授、王春忠教授，大灣區大學趙康寧教授。該工作得到了國家自然科學基金、吉林省自然科學基金和中央高校基本科研專項資金的大力支持。