功能化超薄锌负极界面工程助力高能量密度水系锌离子电池

这篇研究通过构建ZnF2界面层（SEI）的功能化超薄锌负极（TZA），显著提升了水系锌离子电池（ZIBs）的性能。该设计不仅抑制了枝晶生长和副反应，还实现了319 Wh kg?1的高能量密度和1000次循环92%的容量保持率，为替代锂离子电池提供了新思路。

　　

引言

在全球能源转型背景下，水系锌离子电池（ZIBs）因其安全性、低成本和环境友好性成为储能领域的研究热点。然而，锌负极（ZA）面临的枝晶生长、腐蚀和析氢反应严重限制了其实际应用。本文提出了一种功能化超薄锌负极（TZA），通过电化学沉积法构建ZnF₂界面层，显著提升了电池的循环稳定性和能量密度。

结果与讨论

表征分析

TZA由铜箔基底、锌层和厚度小于60 nm的ZnF₂界面层组成。X射线光电子能谱（XPS）和能量色散谱（EDS）证实了ZnF₂的均匀分布。接触角测试显示，TZA的亲水性优于传统ZA（103° vs. 114°），这归因于ZnF₂与电解质中水分子形成的弱氢键作用。

电化学行为

在对称电池测试中，TZA在1 mA cm^?2电流密度下实现了500小时的稳定循环，电压极化仅为63 mV，远低于ZA的102 mV。扫描电子显微镜（SEM）观察表明，TZA表面无枝晶形成，而ZA在50次循环后出现明显枝晶。此外，TZA的腐蚀电流密度（1.03 mA cm^?2）低于ZA（1.14 mA cm^?2），表明其更强的抗腐蚀能力。

全电池性能

以V₂O₅为正极的TZA全电池在1 C倍率下实现了299 mAh g^?1的比容量和319 Wh kg^?1的能量密度，1000次循环后容量保持率达92%。原位同步辐射X射线衍射（XRD）显示，ZnF₂界面层不仅引导Zn²⁺均匀沉积，还通过释放F^?抑制了副产物Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O的不可逆积累，从而延长了电池寿命。

方法

TZA通过电沉积和电化学生长法制备：先在铜箔上沉积锌层，再在NH₄F溶液中生成ZnF₂界面层。正极材料V₂O₅和MnO₂分别通过水热法合成，并采用SEM、XRD和XPS进行表征。

结论

功能化超薄锌负极的界面工程策略为高能量密度、长循环寿命的水系锌离子电池提供了可行方案。ZnF₂界面层不仅抑制了枝晶和副反应，还通过调控Zn²⁺沉积行为提升了电池的整体性能。这一研究为下一代储能技术的发展提供了重要参考。