摘要：锌空气电池（ZABs）具有高能量密度和高安全性的特点，但在碱性电解液中存在氧反应可逆性差和锌电极枝晶生长的问题。最近非碱性电解液被考虑用来改善ZABs中的界面过程。然而，正极和锌负极电解液调节的动态演化和反应机制仍然难以捉摸。

锌空气电池（ZABs）具有高能量密度和高安全性的特点，但在碱性电解液中存在氧反应可逆性差和锌电极枝晶生长的问题。最近非碱性电解液被考虑用来改善ZABs中的界面过程。然而，正极和锌负极电解液调节的动态演化和反应机制仍然难以捉摸。

2024年12月30日，中国科学院化学研究所文锐研究员在国际知名期刊Nature Communications发表题为《In situ visualization of interfacial processes at nanoscale in non-alkaline Zn-air batteries》的研究论文，王娇为论文第一作者，文锐研究员为论文通讯作者。

文锐，中国科学院化学研究所研究员、课题组长，国家优青（2017），英国皇家化学学会会士。2008年于中国科学院化学研究所获得博士学位。2008-2011年在日本东北大学（Tohoku University）任研究助手。2011-2015年先后于日本理化学研究所（RIKEN）、德国基尔大学（Kiel University）（洪堡学者）任博士后。2015年加入中科院化学所。

文锐的研究领域是界面电化学，电化学扫描探针显微术及其应用，共聚焦微分干涉显微术，谱学电化学。

在此，利用原位原子力显微镜，作者发现薄的ZnO2纳米片在放电过程中沉积在非碱性电解液中，然后在其周围形成低模量产物。

在充电过程中，纳米片完全分解，这揭示了O2/ZnO2化学的良好可逆性。留下由C=C和ZnCO3组成的低模量圆形轮廓，在后续循环中对促进氧还原反应（ORR）起关键作用。

此外，原位光学显微镜显示Zn可以在非碱性电解液中均匀溶解和沉积，形成均质的固体电解质界面。

作者的工作为非碱性电解液中两个电极界面的界面反应提供了直接的证据和深入的理解，这可以激发先进ZABs的界面工程和材料设计策略。

图1：铂电极在第一个循环中的ORR/OER过程

图2：纳米片及其周围轮廓的体外表征

图3：铂电极在第二个循环中的形貌演变

图4：锌电极在循环中的剥离/沉积过程

图5：非碱性Zn(OTf)2基锌空气电池界面反应机制

综上，作者通过原位原子力显微镜和原位光学显微镜技术，研究了非碱性锌空气电池（ZABs）在纳米尺度下的界面过程，揭示了放电过程中形成的ZnO2纳米片及其周围低模量产物的动态演变和反应机制，以及充电过程中的可逆性。

研究的成果表明，在非碱性电解液中，ZnO2纳米片在放电时形成并在充电时完全分解，揭示了O2/ZnO2化学的可逆性，同时发现由C=C和ZnCO3组成的低模量圆形轮廓在后续循环中促进氧还原反应（ORR），这对于提高ZABs的性能和稳定性具有重要意义。

这项工作不仅为非碱性ZABs的界面反应提供了直接证据和深入理解，而且为界面工程和材料设计提供了策略，有望推动高性能ZABs的发展。

Wang, J., Lang, SY., Shen, ZZ.et al. In situ visualization of interfacial processes at nanoscale in non-alkaline Zn-air batteries. Nat Commun 15, 10882 (2024).

来源：华算科技