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Zn2+的溶剂化壳层，显著促进了Zn2+的去溶剂化过程，成功抑制了副反应的发生，显著增强了Zn2+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Zn2+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。

Yi-Fan Qu, Jia-Wei Qian, Feng Zhang, Zibo Zhu, Yinbo Zhu, Zhiguo Hou, Qiangqiang Meng, Kai Chen, Shi Xue Dou, Li-Feng Chen, Constructing 3D Crosslinked Macromolecular Networks as a Highly Efficient Interface Layer for Ultra-Stable Zn Metal Anodes, Advanced Materials, 2024, https://doi.org/10.1002/adma.202413370

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来源：科学培训