中科大陈立锋AM：构建三维交联大分子网络界面层实现超稳定锌金属负极的研究进展

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。