联手支春义!郑州大学李新亮/丁红波&北化杨琪,最新JACS!分子编程以实现可持续锌电池动态自适应界面化学!常泽霖一作

人工界面层是通过空间调控质量-电子传输来增强可逆Zn氧化还原反应的一种有力策略，然而界面固有的动态退化以及寄生副反应，持续损害长期电化学稳定性。

2026年02月13日，郑州大学李新亮、丁红波团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Dynamically Adaptive Interfacial Chemistry via Molecular Programming for Sustainable Zn Batteries”的研究论文，团队成员常泽霖为论文第一作者，李新亮、香港大学支春义、北京化工大学杨琪、丁红波为论文共同通讯作者。

第一作者：常泽霖

通讯作者：李新亮、支春义、杨琪、丁红波

通讯单位：郑州大学、香港大学、北京化工大学

论文DOI：10.1021/jacs.5c21500

该研究设计了一种机械自适应离子液体中间相，该相同时抑制枝晶生长和腐蚀。至关重要的是，该中间相在循环过程中通过亲锌配位和疏水屏蔽动态自重构，以维持结构和功能的完整性。经过设计的Zn负极实现了卓越的循环性能，在30mAh cm⁻²下可运行200小时，并在20mA cm⁻²下实现了5400mAh的累积容量。优异的热力学稳定性使其在1mA cm⁻²下实现了创纪录的4400小时长运行时间，且极化极小（30mV）。这种形变自适应架构使30cm²软包电池在多轴应力下容量保持率提升超过500%。与I₂正极配对时，该全电池在10A g⁻¹的高倍率下循环30000次后仍保持86%的容量。原位光谱学和理论模拟揭示，双（三氟甲磺酰）亚胺阴离子建立了有序的成核模板，而1-乙基-3-甲基咪唑阳离子则形成了动态疏水屏障以阻隔水。该研究集成了亲锌-疏水配位与自适应界面层，为实用化Zn电池提供了方案。

向可再生能源基础设施的加速转型要求电化学存储系统发生范式转变。日益增长的可变绿色发电并网和飙升的电网规模存储需求，迫切需要能够平衡操作可靠性、成本效益和生态可持续性的解决方案。虽然蓬勃发展的锂技术面临着本征安全风险和资源稀缺性的根本挑战，但水系Zn电池作为引人注目的替代方案出现。其优势源于本征不可燃性、材料丰富性、高理论容量（820mAh g⁻¹）和低氧化还原电位（-0.76Vvs SHE）。然而，实际应用面临着源于动态Zn负极-电解质界面不稳定性的关键挑战。枝晶生长和析氢反应（HER）协同降低沉积-剥离动力学，同时加速电池失效，尤其是在机械应力和大面积构型下。

当代研究主要集中于负极-电解质界面间质量-电子传输动力学，其中电解质工程、隔膜功能性、合金化方法和界面层调控成为科学共识的主要方向。然而，每种方法都固有地引入了特定权衡，这些权衡不可避免地损害了关键电化学性能指标。改变溶剂化的添加剂（如乙二醇）会调整溶剂化结构以调控Zn沉积，但会干扰正极反应。用两性离子甲壳素纳米纤维功能化隔膜能够实现均匀离子分布，但在刚性电解质中会在机械应力下逐渐退化。合金基底（如Zn₅Cu系统）提高了成核均匀性，但异质界面处的相互扩散会诱发不可逆金属间相，从而破坏结构完整性。有趣的是，人工界面层因其局域保护机制而成为一种变革性解决方案，该机制直接针对Zn沉积行为，且不损害体相电解质稳定性或正极功能性。研究最广泛的无机界面层通过有序的晶格通道和可调表面电负性来调节离子通量，但结构刚性和过厚的厚度会降低电荷动力学，而弯曲引起的应力集中会引发裂纹扩展。相反，有机聚合物界面层提供了更好的柔韧性以适应体积变化，但通常存在离子电导率较差和缺乏精确的离子调节通道的问题。

一个根本性的挑战在于在反复循环过程中保持人工界面层与Zn负极之间的动态相容性。一个最优的人工界面层应集成三个关键功能，包括原子尺度的亲锌域以引导均匀成核、低阻抗离子通道以实现接近理论Zn²⁺扩散，以及机械自适应架构，其能够进行结构重构以适应体积变化，同时保持纳米尺度的完整性。此外，长期稳定性必须进一步确保在长时间静置期间的耐久性，并通过化学相容性抑制副反应。通过动态键重构实现的自发自修复能力可以在应力下维持界面连贯性。从演进角度来看，离子液体（ILs）已从简单的电解质添加剂转变为用于界面工程的功能性构建模块，通过可调的阴阳离子配对提供变革潜力，从而精确设计跨相态的两亲性质。在此架构中，疏水基质建立了耐久的化学屏障，而亲锌配位位点则引导优先沉积。柔性结构能够实现自适应重构，且不挥发的特性保证了稳定的电解质隔离。关键在于，动态配位网络加速电荷转移，并通过富集Zn²⁺的溶剂化来抑制枝晶。疏水屏蔽、电化学调控和机械适应性的协同集成有望解决Zn负极的关键挑战。

在此，该研究设计了一种亲锌-疏水性IL——1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺，用于构建高性能Zn负极的机械自适应IL界面层。对称电池展示了卓越的循环稳定性，在30mAh cm⁻²下实现200小时运行，在严苛的20mA cm⁻²和10mAh cm⁻²条件下实现270小时耐久性。此外，在1mA cm⁻²下循环寿命超过4400小时，提升了15倍。值得注意的是，5cm×6cm软包电池在多种机械变形状态下循环性能提升了5倍。非对称Cu电池在2800小时内保持99.5%的库仑效率，而I₂电池在10A g⁻¹下循环30000次，显示出每圈0.00046%的超低容量衰减率。原位光谱学和多种理论模拟阐明了双重调控机制，其中TFSI⁻阴离子通过配位效应降低成核过电位，而EMIM⁺阳离子动态重组以建立抵抗水渗透的疏水屏障。TFSI⁻阴离子高昂的成本被超薄（930 nm）层结构有效抵消，与稳定性的显著提升相比，这确保了最小的单位用量和可忽略的边际成本。因此，该研究提出了一种经济可行的Zn负极策略，该策略将分子工程与工业可扩展性无缝衔接，用于实用化能量存储。

图1. 离子液体人工界面层表征。(a) EZ负极的制备示意图。(b) EZ负极的SEM图像。(c) ET层的台阶仪数据。(d) BZ和EZ负极的接触角图像。(e) BZ和EZ负极在2M ZnSO₄中浸泡48小时后的XRD图谱。(f) BZ和EZ负极在2M ZnSO₄中浸泡48小时后的SEM图像。(g) EZ负极的F 1s和S 2p高分辨率XPS光谱。(h) BZ和EZ负极的归一化Zn-K边XANES光谱。(i) BZ和EZ负极的扩展X射线吸收精细结构光谱。(j) BZ和EZ负极的EXAFS信号的小波变换图像。

图2. 电化学性能。(a) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和0.5mAh cm⁻²下的长期循环性能。(b) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和30mAh cm⁻²下的长期循环性能。(c) BZ||BZ和EZ||EZ电池在不同电流密度下的倍率性能。(d) BZ||BZ和EZ||EZ电池在20mA cm⁻²和10mAh cm⁻²下的长期循环性能。(e) BZ||Cu和EZ||Cu电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下的库仑效率。(f) EZ||EZ和BZ||BZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环50圈的原位阻抗。(g) BZ||BZ和EZ||EZ电池在10mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下的搁置-恢复测试。(h) 本工作与已报道的同行工作在不同面容量下循环寿命的比较。

图3. 基于对称软包电池的实际应用特性表征。(a) 弯曲状态下对称电池应力分布的示意图。(b) 弯曲条件下Zn在BZ负极和EZ负极上沉积的示意图。(c) BZ||BZ和EZ||EZ软包电池在平面条件下的长期循环性能。(d) BZ||BZ和EZ||EZ软包电池在曲率半径为36mm弯曲状态下的长期循环性能。(e) BZ||BZ和EZ||EZ软包电池在曲率半径为18mm弯曲状态下的长期循环性能。(f) EZ||EZ软包电池在曲率半径为18和36mm弯曲状态下，于1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²循环20次后的SEM图像。(g) BZ||BZ和EZ||EZ软包电池累积容量的比较。

图4. Zn沉积行为与副反应抑制。(a) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环100次后的XRD图谱。(b) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环50、100和150次后的SEM图像。(c) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环100次后，500μm范围内的CLMS图像和粗糙度。(d) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环10次后的XANES光谱。(e) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环10次后的EXAFS光谱。(f) BZ||BZ和EZ||EZ电池在1mA cm⁻²和1mAh cm⁻²下循环10次后的EXAFS信号的小波变换图像。(g) BZ和EZ负极及氧化物在1mA cm⁻²下沉积过程超过60分钟的原位光学显微镜图像。

图5. 均匀Zn氧化还原的机理分析。(a) H₂O在BZ和EZ负极上的吸附能。(b) Zn在BZ和EZ负极上的吸附能。(c) BZ和EZ负极上HER的吉布斯自由能图。(d) BZ和EZ负极的计算活化能。(e) BZ和EZ负极上模拟的电场分布。(f) BZ和EZ负极上模拟的Zn²⁺浓度分布。(g) BZ和EZ负极上模拟的电势分布。

图6. 碘电池的电化学性能。(a) EZ||I₂和BZ||I₂电池在2mV s⁻¹下的CV曲线。(b) BZ||I₂和EZ||I₂电池的EIS图谱。(c) EZ||I₂和BZ||I₂电池的倍率性能。(d) EZ||I₂和BZ||I₂电池在0.2A g⁻¹下的GCD曲线。(e) EZ||I₂和BZ||I₂电池在10A g⁻¹下的长期循环性能。(f) EZ||I₂和BZ||I₂电池的自放电性能。(g) 本工作与已报道的同行工作在不同电流密度下循环次数的比较。

总之，该研究通过TFSI⁻和EMIM⁺的协同集成构建了一个分子工程化人工界面层，该界面层通过亲锌-疏水配位解决了Zn负极的降解问题。原位和理论模拟揭示，TFSI⁻阴离子在富集域中产生有序成核模板，引导均匀Zn²⁺沉积。同时，动态EMIM⁺网络建立了自适应疏水屏障，阻隔水分渗透和寄生反应。所建立的EZ负极实现了卓越的电化学稳定性，包括在1mA cm⁻²和0.5mAh cm⁻²下对称电池运行4400小时，以及在20mA cm⁻²和10mAh cm⁻²下循环270小时。值得注意的是，EZ||Cu电池在1400次循环中保持了99.5%的CE，而EZ||I₂电池在10A g⁻¹的高倍率下循环30000次后仍保持86%的容量保持率。此外，该器件在多轴变形下表现出强健的机械韧性，而应力后的容量保持率测试证实了持续的电化学性能。该研究提出了一种构建稳定界面化学以保护Zn负极的策略，为推进水系Zn电池的实际应用提供了有前景的见解。