编辑推荐：
为解决水系锌离子电池（AZIBs）中析氢反应、离子扩散失控等问题，研究人员开展了通过层层自组装构建离子分离加速通道的研究。结果表明该通道能促进锌均匀沉积，提升电池循环稳定性，为 AZIBs 商业化奠定基础。
研究背景
在当今能源存储领域，随着电动汽车和可再生能源的蓬勃发展，高效、安全且可持续的电池技术成为了众人瞩目的焦点。锂离子电池凭借其出色的性能，在电子设备等领域广泛应用，然而，锂资源的有限性和成本问题，限制了它在大规模储能方面的进一步拓展。此时，水系锌离子电池（Aqueous zinc - ion batteries，AZIBs）以其丰富的锌资源、高安全性和环境友好性，成为了极具潜力的替代方案。
AZIBs 具有高体积容量（5855mAh cm-3）和较低的氧化还原电位（?0.762 V vs 标准氢电极（SHE）），在电网规模的电化学储能（EES）系统中前景广阔。但它也面临着诸多挑战，其中析氢反应（HER）最为棘手。在阳极 / 电解质界面，HER 会导致局部OH?浓度迅速上升，这些OH?进一步与电解液中的SO42?反应，生成副产物Zn4SO4(OH)6?xH2O（ZHS）。这种惰性副产物不仅会减少锌沉积的活性位点，增加成核势垒，还会引发锌阳极上不可控的枝晶生长，严重缩短电池的循环寿命，阻碍了 AZIBs 的商业化进程。
为了解决这些问题，来自伦敦大学学院（University College London）等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究方法
研究人员主要采用了层层自组装（Layer - by - layer，LbL）技术，通过优化制备过程，在锌阳极表面构建了聚烯丙胺盐酸盐（PAH）和聚丙烯酸（PAA）的多层膜。利用多种材料表征技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，对多层膜的组成、结构和形貌进行分析。同时，运用电化学工作站进行线性极化曲线、循环伏安（CV）、电化学阻抗谱（EIS）等测试，研究锌离子的沉积行为和电池的电化学性能。还通过密度泛函理论（DFT）计算，深入探讨离子在电极表面的吸附和扩散机理。
研究结果
- PAH/PAA 多层膜的制备与表征：通过优化制备工艺，得到了厚度约280nm的三层双 PAH/PAA 膜（Zn@PAH/PAA），其电化学性能最为稳定。FTIR 光谱证实了 PAH/PAA 多层膜的成功制备，且由于聚电解质间的静电相互作用，相较于纯 Zn@PAA 和 Zn@PAH，Zn@PAH/PAA 的特征峰发生了明显位移。
- 对锌离子电镀 / 剥离行为的影响：线性极化曲线显示，PAH/PAA 多层膜显著提高了锌阳极的耐腐蚀性，其腐蚀电位从?0.1 V提升至?0.984 V，腐蚀电流降至1.109 mA，低于裸锌的2.99 mA。XRD 和 SEM - EDS 结果表明，PAH/PAA 多层膜能有效抑制副产物生成。此外，该多层膜具有强亲水性，降低了锌离子扩散的界面能垒，使界面活化能从17.34 kJ mol?1降至6.85 kJ mol?1，锌离子迁移数从0.284提高到0.481，促进了锌离子的二维扩散和均匀沉积，抑制了枝晶生长。
- 对锌阳极稳定性的影响：在对称 Zn||Zn 电池中，Zn@PAH/PAA 电极在1 mA cm?2和1 mAh cm?2条件下，稳定性可达约1100h，而裸锌电极在76h左右就发生短路。在更高电流和容量密度下，Zn@PAH/PAA 电极也表现出更优异的循环性能。在不对称 Cu||Zn 电池中，Cu@PAH/PAA 电极的库仑效率（CE）在1600次循环后仍高达99.8%，远高于裸铜电极。
- 对全电池性能的影响：在Zn∣∣MnO2全电池中，Zn@PAH/PAA 电池比裸锌电池具有更高的比容量和可逆性，在2 A g?1电流密度下循环1000次后，比容量约为137 mAh g?1，容量保持率为91.3%。在实际应用测试中，Zn@PAH/PAA|| 商业VO2软包电池在1.7 C电流密度下循环250次后，仍具有17.36 Ah的放电容量，容量保持率为96.3%，展现出良好的应用潜力。
研究结论与意义
本研究通过层层自组装技术构建了 PAH/PAA 多层膜，形成了离子分离加速通道，有效提升了锌阳极的可逆性和稳定性。该通道不仅调节了锌离子的去溶剂化过程，还抑制了副产物的形成，诱导锌沿着（002）晶面沉积，抑制了枝晶生长。这使得 Zn||Zn 对称电池实现了长稳定性，Cu||Zn 不对称电池具有高库仑效率和高累积镀覆容量，软包电池也展现出高放电容量和良好的容量保持率。
该研究成果为构建保护金属阳极的离子分离加速通道提供了新策略，推动了水系可充电电池的实际应用，为锌离子电池的商业化发展注入了新动力，有望在大规模储能领域发挥重要作用，缓解能源存储压力，促进能源领域的可持续发展。
