氟化氮化硼介导的离子-电场界面动力学双重调控，以实现热稳定且循环寿命长的锌金属阳极

《Journal of Colloid and Interface Science》：Fluorinated boron nitride mediated dual regulation of ion-electric field interfacial dynamics for thermally stable and long-cycling zinc metal anodes

水系锌离子电池中氟化石墨烯涂层抑制枝晶及提升循环稳定性的机理研究。通过氟化六方氮化硼（F-BN）涂层调节界面电场和离子通量，降低成核势垒并促进均匀沉积，同时氟基团增强电解液稳定性。涂层实现热电协同调控，使对称电池在室温下循环超3000小时，50℃时循环300小时无枝晶失效，为高稳定性锌基负极设计提供新思路。

　　近年来，随着全球对可再生能源存储需求的不断增长，储能技术的研究和开发成为科学界关注的焦点。在众多储能技术中，水性锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs）因其高安全性、低成本以及环保特性而备受瞩目。锌作为金属负极材料，具有较高的理论比容量和较低的成本，这使得其在大规模储能系统中展现出巨大的应用潜力。然而，锌离子电池的实际应用仍面临诸多挑战，其中最显著的问题之一是锌枝晶的生长和副反应的发生。这些问题不仅会降低电池的循环寿命，还可能引发内部短路，从而严重威胁电池的安全性和稳定性。

锌枝晶的形成通常发生在电池充放电过程中，由于锌离子在电极表面的不均匀沉积，导致局部电场分布不均，进而引发枝晶的生长。这种枝晶不仅会降低电池的容量，还可能穿透隔膜，造成短路，甚至引发热失控和安全事故。此外，锌负极在水性电解液中容易发生腐蚀，这会进一步加剧电池性能的衰减。因此，如何有效抑制锌枝晶的生长并减少副反应，成为提升锌离子电池性能的关键课题。

针对上述问题，研究人员提出了多种策略，包括优化电极结构、改进电解液配方以及引入人工固态保护层等。其中，人工固态保护层被认为是最直接且有效的解决方案之一。通过在锌负极表面构建一层稳定的保护膜，不仅可以阻隔锌负极与电解液的直接接触，还能均匀分布电荷并调控锌离子的迁移路径，从而有效抑制枝晶的形成。例如，一些研究利用纳米碳酸钙（Nano-CaCO3）作为保护层，通过促进均匀成核来实现选择性锌沉积。此外，多孔二氧化铈（CeO2）涂层也被证明能够提升锌离子的扩散速率，降低成核能垒，进而改善电池的循环性能。

然而，这些方法在实际应用中仍存在一定的局限性。例如，某些材料虽然能够有效抑制枝晶生长，但其导电性较差，可能影响电池的充放电效率。另外，部分保护层材料在高温或高电流密度条件下容易发生结构失效，导致保护作用减弱。因此，亟需开发一种兼具优异化学稳定性、良好的导电性和调控能力的新型保护材料，以应对锌离子电池在复杂工况下的性能挑战。

在这一背景下，氟化六方氮化硼（Fluorinated Hexagonal Boron Nitride, F-BN）被引入作为锌负极的保护涂层。六方氮化硼（BN）因其独特的层状结构、化学惰性和优异的热导率，已被广泛研究用于多种电化学储能系统。通过引入氟元素，F-BN在保持BN原有优点的同时，进一步提升了其对锌离子的亲和力和对电场的调控能力。氟化处理不仅改变了BN的表面化学性质，还赋予其更强的腐蚀抵抗能力，使其能够更有效地阻隔锌负极与电解液之间的直接反应。

F-BN涂层的引入为锌离子电池的性能提升提供了新的思路。首先，F-BN的极性氟基团能够均匀分布电场，促进锌离子在电极表面的均匀迁移，从而抑制不均匀沉积所导致的枝晶形成。其次，F-BN能够促进锌离子的部分脱溶化，降低其成核能垒和沉积过电位，使锌离子更容易被还原并均匀沉积。此外，F-BN的高热导率有助于降低局部过热现象，缓解因热梯度引起的应力集中和界面退化，从而提升电池的热稳定性。

在实验研究中，F-BN涂层的制备采用了单步氟化方法，利用氟化铵作为氟化试剂。通过扫描电子显微镜（SEM）分析发现，与原始BN纳米片相比，F-BN纳米片呈现出更加粗糙的边缘，这表明氟原子的引入显著改变了BN的表面结构。这种结构变化不仅增强了F-BN的物理阻挡作用，还提高了其对锌离子的吸附能力，使其在电池运行过程中能够更有效地调控锌离子的分布和沉积行为。

进一步的实验验证了F-BN涂层在锌离子电池中的优异性能。在对称电池测试中，F-BN修饰的锌负极在室温条件下能够稳定运行超过3000小时，而在50°C高温条件下也能维持超过300小时的循环稳定性。这一结果表明，F-BN涂层不仅能够有效抑制锌枝晶的形成，还能显著提升电池在极端温度条件下的运行性能。此外，当F-BN修饰的锌负极与AC@I2正极搭配使用时，全电池表现出卓越的倍率能力和循环性能，进一步证明了F-BN在锌离子电池中的广泛应用前景。

从更广泛的视角来看，F-BN涂层的引入不仅解决了锌离子电池中常见的枝晶问题，还为其他金属离子电池的负极材料设计提供了新的思路。通过合理调控材料的表面化学性质和物理结构，可以实现对金属离子沉积行为的精准控制，从而提升电池的整体性能。这种基于界面工程的方法，为开发高性能、长寿命的储能系统奠定了基础。

此外，F-BN涂层的制备过程相对简单且成本低廉，这使其在实际应用中具有较高的可行性。相比传统的金属保护策略，F-BN的引入不仅减少了对复杂工艺的依赖，还降低了材料成本，为大规模储能系统的商业化提供了技术支持。同时，F-BN的热调节特性使其能够在不同温度条件下维持稳定的电化学性能，这对于在极端气候环境中运行的储能设备尤为重要。

综上所述，氟化六方氮化硼（F-BN）作为一种新型的保护材料，为锌离子电池的负极设计带来了突破性的进展。通过调控锌离子的沉积行为和抑制副反应，F-BN涂层显著提升了电池的循环寿命和安全性。这一研究成果不仅为水性锌离子电池的发展提供了新的方向，也为其他金属离子电池的负极材料研究提供了借鉴。未来，随着对F-BN涂层性能的深入研究和优化，其在储能领域的应用前景将更加广阔。