各向异性的双层晶体界面使得碱性锌电化学过程能够实现可逆性

《Materials Today》：Anisotropic bilayer crystalline interphase enables reversible alkaline zinc electrochemistry

锌-空气电池电极间质优化及高稳定性应用研究。采用钾脂酸动态共价环开聚合反应构建双层晶体间质，包含疏水硫富集内层和亲锌碳酸根外层，有效屏蔽水和氢氧根离子，抑制枝晶生长和腐蚀。实验表明该间质使电极循环寿命超过2000小时，容量密度达10 Ah/cm2，在100 mA/cm2下循环145小时，可逆性达99.5%。成功集成太阳能光伏系统实现4.5 Ah级智能农业储能应用。

　　碱性锌电池在储能技术领域展现出巨大的潜力，因其具有高电压、低成本和安全性等优势，被认为是替代锂离子电池的重要候选者。然而，这类电池在高电流密度条件下仍然面临一个关键问题：不稳定的固态电解质界面（SEI），这严重影响了其可逆性和循环寿命。针对这一挑战，研究人员受生物皮肤的启发，通过一种新型的策略，设计出一种自组装的各向异性晶体界面，作为锌金属电极的保护层，从而显著提升电池性能。

这种保护层被称为“锌电极皮肤”（ZESs），它由钾脂酸（PL）通过共价开环聚合反应（ROP）形成，具备独特的双层结构。内层富含硫（S）和硫醇基团（C-S），具有疏水性，能够有效排斥水分分子，而外层富含羧酸根（COO?），具有亲锌性，可以屏蔽氢氧根离子（OH?）。这种设计不仅减少了锌金属与电解质之间的不良副反应，还为锌离子（Zn2?）的脱溶化和扩散提供了定向通道，从而提升电池的稳定性。

研究团队通过一系列实验和模拟手段验证了该保护层的有效性。例如，在分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算中，他们发现ZESs显著降低了Zn2?的脱溶化势垒，并加速了其在界面内的扩散过程。这使得电池在高电流密度下（如100 mA cm?2）仍能保持良好的循环性能，其寿命达到145小时，远超传统锌空气电池（ZAFB）的水平。此外，通过有限元分析（FEA），研究者进一步揭示了该保护层如何优化电化学行为，减少锌沉积过程中的不均匀性和枝晶生长，从而提高电池的可逆性。

实验结果显示，ZESs不仅提升了锌空气电池的性能，还使其具备了在实际应用中大规模储能的能力。研究团队将4.5 Ah级别的锌空气电池与光伏组件集成，成功实现了对智能农业系统的供电。这种系统能够利用太阳能进行充电，并在白天用于灌溉，夜晚用于照明，展现出强大的可再生能源存储潜力。通过这种方式，ZESs为未来能源存储技术提供了一种创新的解决方案。

此外，ZESs的结构和组成对锌离子的溶剂化环境和脱溶化动力学起到了关键作用。研究人员发现，通过调控Zn2?的溶剂化结构，ZESs能够有效减少锌与水和氢氧根离子之间的相互作用，从而抑制不良副反应的发生。同时，这种保护层在高电流密度下依然保持良好的机械性能和化学稳定性，为锌空气电池的长期运行提供了保障。

在经济性和实用性方面，ZESs的设计也展现出优势。由于无需使用昂贵的离子交换膜，ZESs能够显著降低锌空气电池的安装成本。研究团队对多种锌基流电池系统进行了成本比较，发现ZESs在经济性上优于传统的锌空气电池和锌-铁、锌-溴等系统。这表明，ZESs不仅在技术上具备创新性，而且在实际应用中具有良好的可行性。

综上所述，ZESs的引入为碱性锌金属电池的稳定运行提供了关键支持。其各向异性晶体结构能够有效调控锌金属电极的界面反应，提升电池的可逆性和循环寿命。通过深入研究ZESs的结构和组成，研究团队为未来锌基储能技术的发展提供了重要指导，同时展示了其在实际应用中的巨大潜力。这一成果不仅推动了新能源存储技术的进步，也为可持续发展提供了新的思路。