郑州大学「青年长江」陈卫华AFM | 溶剂竞争构建均匀固态电解质界面以实现稳定的无负极锌电池!

均匀性高的固态电解质界面（SEI）是提升无负极锌金属电池电化学性能的关键途径之一。然而，界面处溶剂化浓度与分布的不均匀性会导致SEI的随机成核与失控生长，从而形成质量低劣的SEI形貌，进而损害电池的日历寿命。

在此，郑州大学陈卫华团队通过一种强溶剂-弱溶剂竞争策略构建了均匀的SEI。研究阐明了其内在演化机制：弱溶剂的吸电子氧与二甲氧基乙胺的氨基氢通过竞争作用，驱动了溶剂化结构从环状锯齿构型向扩展线性构型的转变。这从而在基底界面处形成了高密度、阴离子聚集的溶剂化团簇，实现了SEI的均匀成核与二维生长。

优化后的SEI促进了空间均匀的锌离子通量，从而获得了高度有序的锌沉积并避免了枝晶，最大限度地减少了长循环过程中活性锌的累积消耗。Zn||VO₂-V₂O₅/NC电池在使用有限锌量的情况下实现了13,000次稳定循环。无负极锌电池则表现出优异的循环能力，达到500次循环，平均库仑效率为99.82%。

图1. 电解质衍生SEI的成核和生长方式

总之，该工作通过强溶剂与弱溶剂之间的溶剂竞争策略，为长寿命无负极锌电池实现了均匀且具有粘弹性的SEI。结合原位FTIR、分子动力学模拟和核磁共振技术，我们证明了溶剂竞争可以有效调控Zn²⁺周围的化学环境。

与纯电解质中溶剂主导的Zn²⁺溶剂化结构相比，弱溶剂DME通过偶极-偶极相互作用能有效将MPA从溶剂化鞘层中拉出，形成了阴离子聚集的Zn²⁺溶剂化结构。有限元分析和原位红外光谱表明，与SSSD电解质相比，WCAA电解质在基底表面实现了更高且分布更均匀的离子浓度和更大的覆盖率。这种增强的均匀性有利于致密的SEI成核。

此外，基于电流-时间瞬态拟合和经典成核模型的分析，阴离子聚集电解质促进了遵循混合成核机制（结合二维瞬时成核与三维渐进成核）随后进行二维生长的SEI形成。这种独特的生长机制使得SEI能够实现基底表面的完美钝化。富含无机成分（ZnF₂、ZnCO₃和ZnS）的均匀SEI可以诱导锌的致密沉积并提高沉积/剥离的可逆性。

Zn||Cu电池表现出98.4%的高初始库仑效率，并在880小时内维持99.91%的平均库仑效率。采用ZnₓVO₂-ZnₓV₂O₅/NC正极（N/P = 2.72）组装的全电池在2 A g⁻¹下实现了13,000次循环。无负极锌电池展现出优异的循环稳定性（500次循环），容量保持率为65.8%。这项工作可为解决无负极电池的挑战提供界面设计方面的见解。

图2. 电池性能

Uniform SEI design via Solvent Competitions for Stable Anode-Free Zinc Batteries, Advanced Functional Materials 2025 DOI: 10.1002/adfm.202513242

陈卫华，郑州大学 直聘教授 2009年12月毕业于武汉大学物理化学专业；以第一作者或通讯作者在《Chem. Mater.》、《ACS Appl. Mater. Interfaces》、《J. Mater. Chem. A》、《Nano Res.》、《Nanoscale》、《J. Power Sources》、《J. Phys. Chem. C》等国际期刊上发表学术论文53篇，高被引论文2篇。研究领域：主要从事钠离子电池、锂离子电池、超级电容器、镍氢电池等储能体系的研究工作。

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