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为解决锌金属负极在海水电解液中不稳定的问题，研究人员开展了海水锌电池电荷梯度负极界面设计的研究。结果表明，该设计可消除氯化物诱导的腐蚀，使锌电镀 / 剥离性能超 1300 小时。这为构建可持续的海水基储能提供了可行指导。
在当今能源领域，可持续发展是重中之重。随着海上可再生能源的蓬勃发展，如海上风电场和浮动光伏的兴起，如何高效存储这些间歇性产生的能源，成为了科学家们亟待攻克的难题。可充电水系锌电池（AZB）因其安全性高、成本低、能量密度高等优点，备受关注。然而，传统的水系电解液通常使用超纯去离子水（DIW）配制，淡水日益稀缺，获取 DIW 的过程既繁琐又昂贵。而大自然中的海水，占据了地球总水量的约 96.5%，拥有高离子电导率，若是能直接用作 AZB 的电解液溶剂，那海上大规模储能将变得更加便捷和可持续。
但理想很丰满，现实却很骨感。直接使用海水作为电解液，给锌（Zn）金属负极带来了巨大挑战。海水中的氯离子（Cl?）半径小，具有强大的穿透和界面吸附能力，容易引发金属点蚀，加速 Zn 金属电极的腐蚀过程，降低库仑效率（CE）和锌电镀 / 剥离性能。同时，海水中复杂的阳离子，如 Na?、Ca2?、Mg2?等，会干扰 Zn2?的界面沉积，导致界面电阻增加、不均匀性加剧，进一步恶化锌金属负极的稳定性。此前，虽然在稳定 DIW 电解液中的锌金属负极方面取得了一些进展，但由于海水中离子调节的严苛要求，这些策略难以应用于海水体系。
为了突破这一困境，中国海洋大学材料科学与工程学院的研究人员展开了深入研究。他们旨在揭示锌金属负极在海水电解液中的腐蚀机制，并寻找有效的解决办法，以实现海水锌电池的可持续发展。最终，他们取得了令人瞩目的成果，相关研究发表在《Nature Communications》上。
研究人员开展这项研究主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料表征技术，通过扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等手段，对材料的形貌、结构和成分进行分析；其次是电化学测量技术，利用线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）等方法，研究电池的电化学性能；此外，还运用了分子动力学（MD）模拟技术，从理论层面揭示离子在界面的传输行为。
揭示锌金属负极在海水电解液中的腐蚀机制
研究人员对海水和 DIW 电解液进行了对比研究，包括转移动力学、水分解和腐蚀等方面。发现海水电解液虽然具有更高的离子电导率，但水分解和锌腐蚀现象更严重。通过老化实验和对锌 | | 锌对称电池的研究，揭示出 Cl?会诱导点蚀，并与其他成分自发形成副产物，这些腐蚀行为会恶化界面环境，加剧枝晶沉积，导致电池快速失效。
电荷梯度锌金属负极界面的设计与合成
为应对海水带来的腐蚀问题，研究人员提出了电荷梯度界面（CGI）策略。通过使用多糖前体进行扩散控制的静电络合来制备 CGI。壳聚糖（CS）和海藻酸钠（SA）前体分别带有质子化的 - NH??和离子化的 - COO?基团，电荷相反。在制备过程中，CS 溶液与 SA 溶液接触后会迅速形成超薄层，随着 CS 溶液扩散，层厚度增加，形成电荷梯度结构。靠近锌表面的一侧（MAXN 侧）负电荷最强，远离锌表面的一侧（MINN 侧）负电荷最弱。多种表征手段证实了 CGI 的成功制备及其结构特性。
CGI 内选择性离子传输的研究
利用渗透实验和 MD 模拟研究 CGI 对离子传输的影响。实验结果表明，CGI 对带正电的罗丹明 6G 有明显的扩散促进作用，对带负电的荧光素钠则有阻挡效果，体现出明显的离子选择性。MD 模拟显示，Zn2?在 CGI 中的扩散系数比 Cl?和 SO?2?高一个数量级，Cl?和 SO?2?在 CGI 入口处聚集，而 Zn2?能有效进入并渗透到 CGI 内部，进一步验证了 CGI 的离子选择性。
CGI 的防腐和抑制枝晶效果的实验验证
综合考虑价格、电解液稳定性和锌电镀 / 剥离性能，选择 ZnSO??7H?O 作为锌盐。通过对不同厚度 CGI 层的研究，确定反应时间为 10s 的 CGI 层为最优。一系列实验表明，CGI 修饰的锌箔在海水和 DIW 电解液中都具有良好的耐腐蚀性，能加速 Zn2?的传输动力学，促进均匀锌沉积，抑制枝晶生长。在多种测试条件下，CGI 修饰的锌 | | 锌和锌 | | 铜电池都表现出优异的性能，使用寿命显著延长。
高性能海水基 Zn| |NaV?O??1.5H?O 全电池的构建
将锌金属负极与 NaV?O??1.5H?O（NVO）正极配对组装全电池。研究发现，海水中丰富的 Na?能抑制 NVO 的溶解，稳定正极。CGI 修饰的锌 | |NVO 全电池在多种性能指标上表现出色，包括倍率性能、循环稳定性和低温适应性。组装的软包电池也验证了其实际应用潜力。
研究人员成功揭示了锌金属负极在海水电解液中的腐蚀机制，并通过设计电荷梯度界面策略有效解决了相关问题。CGI 不仅能抑制氯离子诱导的腐蚀，还能加速锌离子扩散，实现了可持续的锌电镀 / 剥离性能。同时，海水电解液对正极稳定性的贡献也得到证实。这项研究为稳定海水体系中的锌金属负极和构建可持续的海水基储能提供了重要的理论依据和实践指导，有望推动海上可再生能源与固定储能的深度融合，为全球可持续能源发展注入新的活力。
