摘要：在可持续能源系统快速发展的背景下，电化学储能技术正受到广泛关注。其中，水系锌离子电池（AZIBs） 因其具有高理论容量、丰富的锌资源和固有安全性，成为下一代储能器件的重要候选技术。然而，锌金属负极存在的不可控析氢反应（HER）、腐蚀及枝晶生长等问题严重制约了A

在可持续能源系统快速发展的背景下，电化学储能技术正受到广泛关注。其中，水系锌离子电池（AZIBs） 因其具有高理论容量、丰富的锌资源和固有安全性，成为下一代储能器件的重要候选技术。然而，锌金属负极存在的不可控析氢反应（HER）、腐蚀及枝晶生长等问题严重制约了AZIBs的进一步发展和实际应用。

近年来，研究表明，通过在锌金属/电解质界面构建人工界面层，可以有效抑制HER和腐蚀，并确保锌离子（Zn2+）的均匀通量及电场分布，从而缓解锌负极相关问题。然而，受限于低成本和绿色环保的设计理念，构建高性能的人工界面层仍是一大挑战。

鉴于此，中国科学技术大学陈立锋教授团队以成本低廉、生物相容性强且可降解的马铃薯淀粉（StZ）为原料，结合直链淀粉和支链淀粉的结构特点，在糊化过程中加入适量锌盐（Zn2+），使Zn2+打开淀粉链并在锌箔表面构建出具有Zn2+快速通道的三维交联大分子网络界面层（StZ-Zn）。密度泛函理论（DFT）计算、分子动力学（MD）模拟、COMSOL多物理场模拟及原位拉曼光谱表明，三维StZ网络中的极性官能团与Zn2+的交联显著促进了Zn2+的去溶剂化，减轻了水分解引发的副反应。

该三维StZ网络大幅度提升了Zn2+的传输效率，实现了Zn2+的均匀沉积，显著抑制了锌枝晶的生长。实验结果显示，StZ-Zn||StZ-Zn对称电池在5 mA cm−2电流密度下循环性能超过4800小时，累积面容量达到12000 mAh cm-2。在实际应用中，StZ-Zn||NaV3O8·1.5H2O（NVO）全电池表现出优异的电化学性能，在5 A g−1的电流密度下经过2500次循环后，容量仍可维持在218 mAh g−1。

该研究为利用三维交联网络作为高性能水系锌离子电池（AZIBs）界面层提供了一种可持续的解决方案。研究成果以“Constructing 3D Crosslinked Macromolecular Networks as a Highly Efficient Interface Layer for Ultra-Stable Zn Metal Anodes”为题，发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。团队成员Yi-Fan Qu、Jia-Wei Qian、Feng Zhang为共同第一作者，陈立锋教授为通讯作者。

StZ-Zn负极上Zn沉积行为示意图。

图1. a) StZ层的O1s和b) Zn 2p XPS光谱。c) 比较St层和StZ层的拉曼光谱。d) St、StZ-50、StZ和StZ-200的FTIR光谱。e) 裸锌和StZ-Zn电极的LSV曲线和f) Tafel图。g) 不同电极对称电池在−150 mV过电位下的CA曲线。h) 在5 mA cm−2电流密度下，沉积容量为1 mAh cm−2的裸Cu和StZ-Cu不对称电池的库仑效率。

图2.a,b) [Zn(H2O)5StZ]2+和[Zn(H2O)6]2+在脱溶过程中的分子几何构型。c) 计算[Zn(H2O)5StZ]2+和[Zn(H2O)6]2+的溶解能。d) 3D交联大分子网络和e) 聚集分子链中Zn2+输运的MD模拟。f) COMSOL模拟裸Zn和StZ-Zn的界面电流密度和电场分布。g) StZ-Zn电极在循环过程中的原位拉曼光谱。

图3. a、b) 裸Zn和StZ-Zn对称电池的电压时间曲线，面容量为1mAh cm−2在电流密度为a) 2mA cm−2和b) 5mA cm−2时。c) 对称电池的累积容量比较。d)恒定容量为1mAh cm−2的对称电池在电流密度从0.5 ~ 10mA cm−2到0.5 mA cm−2之间的倍率性能。e) 裸Zn和StZ-Zn经过50次循环后的显微图。f) 50次循环后裸Zn和StZ-Zn的XRD谱图。

图4. a) 扫描速度为0.1 mV s−1时，裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的CV曲线。b) 裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的倍率性能。c)裸Zn||MnO2和StZ-Zn||MnO2全电池的Nyquist图。d) 5 A g−1电流密度下，裸Zn||NVO和StZ-Zn| NVO全电池的循环性能。e)为LED供电的软包电池数码照片。

综上所述，本文提出了一种在商用锌箔上构建三维交联大分子网络界面层的简单且高效的策略。该方法中淀粉衍生的界面层通过调节Zn 2+的溶剂化壳层，显著促进了Zn 2+的去溶剂化过程，成功抑制了副反应的发生，显著增强了Zn 2+的传输效率，实现了超稳定的锌金属负极。

DFT计算、MD模拟、COMSOL多物理场模拟及原位拉曼光谱验证出三维交联大分子网络加速了Zn 2+的迁移并均匀化其分布，形成均匀的Zn沉积，成功抑制了锌枝晶的生长。实验表明，StZ-Zn||StZ-Zn对称电池在5 mA cm −2电流密度下表现出超过4800小时的超长循环稳定性，累积面积容量高达12000 mAh cm −2。同时，StZ-Zn||NVO全电池在2500次循环后容量保持率高达92%，展现了良好的实际应用潜力。本研究为构建高性能水系锌离子电池（AZIBs）的界面层提供了一种低成本、高安全性的解决方案，为未来储能器件的开发提供了新思路。

附招聘启事：

本课题组主要研究方向为生物质（天然高分子）/碳 基材料设计、制备以及构筑新型电化学能量存储与转换器件，包括二次电池、能量集成器件、柔性/弹性电子器件、电催化小分子或天然高分子等，长期招聘若干名博士后和特任副研究员，欢迎有品学兼优、热爱科研、勤奋努力、勇于创新的博士加入！

课题组负责人：陈立锋，国家“四青人才”、中国科学技术大学教授；合肥微尺度物质科学国家研究中心和中国科学院材料力学行为和设计重点实验室双聘研究员，主要从事生物质(天然高分子)衍生碳基纳米材料的结构设计、宏量制备及其能量存储与转换（新型二次电池、超级电容、柔性储能器件、电/光催化）机制研究，在Science、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.等国际著名期刊上发表学术论文40余篇，总论文他引8400余次，研究工作被国内外同行高度评价；曾获Nano Research Top Papers Award、JSPS Postdoctoral Fellowship、安徽省品学兼优毕业生等奖项；主持了国家自然科学基金委海外优青、面上、联合基金培育项目以及国家重点研发计划子课题，作为骨干成员参与了中国工程院战略研究与咨询项目、国家自然科学基金委重点项目等；参与编写专著2部，受邀担任国际知名学术期刊Nano Research、Chinese Chemical Letters和International Journal of Extreme Manufacturing青年编委；Acta Physico-Chimica Sinica（《物理化学学报》, IF: 10.9）“碳材料与电化学储能”专刊客座编辑；Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、Coord. Chem. Rev.等国际期刊特邀审稿人；国家自然科学基金项目评审专家；科技部重点研发项目评审专家；国家高层次人才特殊支持计划评审专家；安徽省科技项目评审专家；安徽省正高职称评审专家；河北省科技项目评审专家；重庆大学、郑州大学等高校引进人才项目评审；武汉大学、中南大学、重庆大学等高校职称评审；安徽省博士学位授权点评审专家；安徽省重点实验室评审专家；安徽省博士硕士学位授权点评审；教育部教育督导局博士/硕士学位论文抽检评审专家。

课题组主页：

应聘条件：

（1）基本素质：品学兼优、身心健康、科研执行力强、追求高质量研究论文、具有良好的团队合作精神。

（2）专业要求：已获或即将获得化学、材料、高分子、物理、能源等相关学科的博士学位，或近期内能顺利完成博士论文答辩，在高分子材料、碳材料、二次电池、集成器件、传感、电/光催化、柔性/弹性器件等相关领域发表高水平研究论文1篇及以上，良好地掌握本领域基础知识和前沿研究方向。

（3）年龄要求：博士后博士毕业不超过3年；特任副研究员不超过35岁。

合作方向：

（1）碳基纳米材料的设计、制备及其应用；

（2）高分子基纳米材料的设计、制备及其应用；

（3）纳米能源材料在电化学能量存储与转换(二次电池、能量集成器件、柔性/弹性电子器件、电催化小分子或天然高分子等)中应用及其反应动力学机理研究；

福利待遇：

（1）特任副研究员薪资面谈；

（2）博士后年薪20-50万元；

（3）本课题组还将根据研究贡献、论文发表、基金项目等给予可观的奖励。

保险：

学校为博士后/特任副研究员办理社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

住房保障：

学校提供校内周转房（两室带全套家具），若在校外租房，学校提供统一标准的租房补贴。

项目申请：

鼓励作为负责人申请各类博士后科学基金、国家自然科学基金及省、市各级课题。

发展前景：

（1）在站期间支持申请博士后国际联合培养计划，出站后支持推荐到国外（京都大学、南洋理工大学、新加坡国立大学、日本产业技术综合研究所、日本国立物质材料研究所、伍伦贡大学、昆士兰大学、马里兰大学、佐治亚理工学院等）知名高校/科研机构知名团队继续深造。

（2）推荐工作成绩突出者申报中国科学技术大学或其他科研机构长聘教职。

工作条件：

科研经费和空间充裕，拥有一流的公共科研平台、良好的工作环境。

请将详细的个人简历（包括前期主要研究基础，代表论文清单等，附件1）、代表文章（附件2）、未来研究兴趣（以邮件正文）、1-2位推荐人姓名及联系方式（以邮件正文）发送到陈老师的电子邮箱chenlf@ustc.edu.cn ，邮件标题注明：应聘职位+研究方向+本人姓名。

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来源：才联科学圈