摘要：控制锌（Zn）成核和随后的晶体生长，是长寿命水系锌金属电池（AZMBs）的关键。然而，同时发生的副反应和不稳定的固态电解质界面（SEI）形成阻碍了Zn金属的连续电沉积。基于此，浙江大学陆俊教授、薄拯教授和徐云凯博士（共同通讯作者）等人报道了通过电解质设计构建了
成果简介
控制锌（Zn）成核和随后的晶体生长，是长寿命水系锌金属电池（AZMBs）的关键。然而，同时发生的副反应和不稳定的固态电解质界面（SEI）形成阻碍了Zn金属的连续电沉积。基于此，浙江大学陆俊教授、薄拯教授和徐云凯博士（共同通讯作者）等人报道了通过电解质设计构建了有机/无机双相SEI（简称d-SEI），并在SEI下实现了从单晶晶胞到多晶堆叠有序的Zn电沉积过程。在双电层内层添加三（2-氰乙基）膦（TCEP）诱导的d-SEI可以均匀锌离子通量和电场，改善Zn单晶成核和生长过程中的离子传输动力学。此外，d-SEI的均匀性和机械稳定性有效地减轻了HER的寄生反应和腐蚀，促进了由单晶晶胞组成的致密多晶Zn沉积。赵明博士，博士生吕燕群为本文共同第一作者。
基于上述优势，Zn||Zn对称电池具有超过5600 h的长寿命和85.0%的高放电深度（DOD），Zn||I2全电池在-30 ℃下具有201.9 mAh g-1的高容量。此外，实用的0.1 Ah Zn||I2双层软包电池具有122.1 Wh kg-1的高比能，并在低负/正容量（N/P）比为1.5的情况下保持了113次循环的寿命，符合商业全电池制造标准。本研究成果促进了对SEI在Zn电沉积行为中的关键作用的理解，并为其他金属电池电沉积过程中的晶体结构调节提供了有价值的见解。
图1. Zn成核和生长的示意图
相关工作以《Ordered zinc electrodeposition from single-crystal units to polycrystalline stacking within solid-electrolyte interphase in battery anodes》为题发表在2025年3月23日的《Nature Communications》上。
陆俊，浙江大学讲席教授、博士生导师，国家级高层次人才。研究领域聚焦在高性能正极/负极材料、先进表征技术、锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、下一代电池技术以及电池回收等方面。以通讯作者/第一作者发表SCI收录论文超过500篇，其中包括Science、Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Review Materials、Nature Communications共计超过60篇，论文总引用数超过60000次，H指数超过137。
图文解读
通过密度功能理论（DFT）计算，作者分析了不同组分（Zn2+、H2O、OTF-和TCEP）在Zn负极表面的吸附能。TCEP和OTF-的吸附能高于Zn2+和H2O，说明TCEP和OTF-优先占据EDL的内层，影响SEI的形成。结果表明，TCEP和OTF-占据内层，Zn2+和H2O占据外层的分层EDL层，有利于后续d-SEI的原位构建。EDL中的分子相互作用和反应，直接决定了SEI的结构和组分。此外，TCEP分子在Zn负极表面被强烈吸附，并与Zn2+配位，形成“网状”的TCEP配合物([Zn(TCEP)F]n和[Zn(TCEP)2F2])，最终演化成均匀的SEI。
图2. SEI的组分和性质
图3.初始Zn沉积的形态和结构表征
图4. Zn生长过程中的形态和结构演变
对于Zn||Zn对称电池，在电流密度为1 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2的条件下，含t-SEI的Zn负极在循环几次后出现软电路，在90 h后因不规则的枝晶和HER而迅速死亡，而含d-SEI的Zn负极具有5600 h以上的长循环寿命，电压迟滞为66.3 mV，是OTF电解质的60倍以上。基于CEP电解质的Zn||Zn对称电池具有400 h的长循环寿命和20 mAh cm-2的高容量，对应于85.0%的高DOD，显示出Zn2+沉积/剥离的良好稳定性和可逆性。
对于Zn||MnO2电池，在CEP电解质中表现出181.9 mAh g-1的高放电容量，在0.2 A g-1下循环150次后容量保持率为78.1%，而在OTF电解质中容量从247.9下降到55.2 mAh g-1，容量保持率为22.3%。当电流密度增加到1 A g-1时，在CEP电解质中循环600次后仍提供102.8 mAh g-1的容量，而在OTF电解质中仅为53.4 mAh g-2。
对于Zn||NaV3O8·1.5H2O（NaVO）全电池，OTF电解质的电池循环寿命短，在1000次循环后突然衰减，而CEP电解质在5 A g-1下，8500次循环后放电容量稳定在163.8 mAh g-1以上。使用CEP电解质的电池在0.2~20 A g-1下的倍率表现为483.9、444.9、435.1、409.7、372.2、327.7和259.3 mAh g-1，在高倍率循环下实现了10000次循环。
对于Zn||I2电池，具有10000次的循环寿命和77.8%的容量保持率。在-30 ℃下，Zn||I2电池的初始容量高达201.9 mAh g-1，在118次循环后仍可提供174.2 mAh g-1的容量，CEavg超过99.8%。当增加到0.5 C时，Zn||I2电池在95次循环后容量保持率为86.3%，在低温下表现出良好的稳定性和倍率性能。Zn||I2软包电池获得了超过0.1 Ah的高容量和122.1 Wh kg-1的比能量，并在0.1 C下循环113次后容量保持率达到83.3%。
图5.对称和全电池的电化学性能
文献信息
Ordered zinc electrodeposition from single-crystal units to polycrystalline stacking within solid-electrolyte interphase in battery anodes. Nat. Commun., 2025
来源：华算科技