多功能界面锌主体的协同设计助力实用锌金属电池

高能量密度、安全且廉价的电池系统被越来越多的行业所需要，如大型固定储能系统、电动汽车和便携式消费电子产品。在电池系统中，锌金属电池(ZMBs)由于其理论比容量高、电化学电位低和毒性小等优点而受到较多关注。然而，Zn负极表面枝晶的生长及界面的副反应导致ZMBs的库伦效率低、循环稳定性差，从而严重阻碍了ZMBs的实际应用。

为了应对上述挑战，来自韩国首尔大学的Dong-Wan Kim等人将一种薄ZnO界面相(ZI)辅助的功能性多孔亲锌碳载体(FPCH)合理地设计在裸Zn(FPCH-ZI/Zn)上，从而使ZMBs实现了高DODZn、低N/P比和高电流密度下的超长循环寿命。其中，具有大比表面积和亲锌氧基官能团的疏水FPCH诱导Zn2+的均匀沉积，以缓解Zn负极表面枝晶的生长。

此外，亲水性ZI确保足够量的电解质被 FPCH-ZI/Zn吸收，它弥补了疏水性FPCH的缺点(电解质的低吸湿性)，抑制了水溶液电解质/Zn界面处的副反应。因此，即使在恶劣的工作条件下，对称的 FPCH-ZI/Zn电池也表现出了超过3000小时的优异寿命，并且具有较低的极化电压。

图1. a, b) FC@SiO2和FPCH的高倍率TEM图像与EDS元素映射图像。c) FPCH的N2吸附-解吸等温线(插图：FPCH的BJH孔径分布)。d) FPCH的C 1s和e) O 1s的高分辨率XPS光谱。f) 氧基官能团的模型(左)和原始及氧基官能团的所有可能构型计算出的锌原子结合能的总结(右)。g) 对称电池(裸Zn||裸Zn、FC@SiO2/Zn||FC@SiO2/Zn和NA-FPCH/Zn电池||NA-FPCH/Zn电池)在1 mA cm-2的电流密度和1 mAh cm-2的面容量下进行恒流循环。h, i) FC@SiO2/Zn和NA-FPCH/Zn在20次循环后的截面SEM图像。

图2. a) NA-FPCH/Zn和FPCH-ZI/Zn的XRD图谱。c) FPCH-ZI/Zn的截面聚焦离子束(FIB)-SEM图像与EDS元素图谱。d, e) 2 M ZnSO4水溶液电解质在FPCH-ZI/Zn和p-FPCH-ZI/Zn上的接触角。f) FPCH-ZI/Zn与p-FPCH-ZI/Zn的原位接触角测试。g) 线性极化曲线显示了裸Zn和FPCH-ZI/Zn上的锌腐蚀。h) 静置(24h)前后对称电池(裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn电池)的奈奎斯特图。i) Arrhenius曲线和计算的相应活化能。

图3. a) 裸Zn和FPCH-ZI/Zn在-150 mV的恒定电位下的记时安培(CA)曲线。b) 裸Zn和c) FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn电池在电流密度为40 mA cm-2时的锌沉积原位光学显微图像。d) 裸Zn和e) FPCH-ZI/Zn在不同面积容量下以2 mA cm-2的电流密度沉积后的SEM图像。f) 在8 mAh cm-2的面积容量下，以2 mA cm-2的电流密度沉积后，FPCH-ZI/Zn的截面FIB-SEM图像与EDS元素图谱。g) FPCH-ZI/Zn的副反应抑制和Zn沉积行为示意图。

图4. a) 对称电池(裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn∥FPCH-ZI/Zn电池)的CV曲线。b) 不同电流密度下，锌在FPCH-ZI/Zn上沉积的电压曲线。c) 不同电流密度下的成核过电位和电流密度之间的关系。d) 不同电流密度下对称电池的倍率能力；e) 裸Zn和FPCH-ZI/Zn的相应交换电流密度。

裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn电池的静电曲线 f) 在1 mAh cm-2的面积容量下，电流密度为1 mA cm-2；g) 在5 mAh cm-2的面积容量下，10 mA cm-2的超高电流密度。h) 裸Zn||裸Zn和FPCH-ZI/Zn||FPCH-ZI/Zn电池在DODZn为51%时的恒流曲线。i) 比较具有FPCH-ZI/Zn的对称电池和以前报道的锌宿主的累积容量以及最大电流密度和面积容量的倍率(j×C)。

图5. a) MnO2||裸Zn和b) MnO2||FPCH-ZI/Zn全电池在0.1~1.0 mV s−1的对应CV曲线。c) 阴极/阳极峰值电流与扫描速率平方根的对应线性拟合。d) 裸Zn和FPCH-ZI/Zn全电池的倍率性能；e) 在0.2、0.5、1.0、2.0、3.0和5.0 A g−1不同电流密度下的恒流曲线。裸Zn和FPCH-ZI/Zn全电池在0.5 A g−1 g) 高N/P比(≈190)和h)低N/P比(≈7.3) 的循环性能。

总的来说，本研究通过刮刀浇铸及后续的低温退火过程构建了一种新的Zn界面主体(FPCH-ZI/Zn)，其由亲锌多孔碳宿主(FPCH)和亲水薄ZnO界面相(ZI)组成。FPCH-ZI/Zn具有SSA大、与Zn结合力强、疏水性和亲水性协同作用等优点，能提供均匀的Zn2+通量、低的Zn成核过电位，并抑制内部的副反应。

结果表明，在高面积容量(5 mAh cm−2)和高电流密度(10 mAh cm−2)下，含FPCH-ZI/Zn的对称电池表现出优异的累积容量(6500 mAh cm−2)。即使在实际操作条件下(DODZn:≈51%)，电池仍表现出稳定的循环性能，表明锌沉积/溶解的可逆性增强。

此外，使用FPCH-ZI/Zn负极和MnO2正极的全电池在接近实际应用的恶劣条件下，在超过1000次循环中提供了优异的倍率性能和循环稳定性(N/P比值:≈7.3)。考虑到FPCH-ZI/Zn卓越的电化学性能，作者相信在商用Zn上构建界面主体的策略为ZMBs的实际应用提供了突破性的思路(文：Meiko)。

审核编辑：刘清