电化学驱动杂化界面相实现水系锌电池中稳定多功能锌金属电极

为解决水系锌离子电池（AZMBs）中锌负极枝晶生长和界面副反应等问题，研究人员通过电化学驱动策略构建了富含Zn3(PO4)2纳米晶的有机-无机杂化固态电解质界面（SEI）。该界面实现了均匀Zn2+通量调控，抑制枝晶和析氢反应（HER），使锌负极在10 mA cm-2下稳定循环1500小时，并推动安时级容量软包电池开发。该研究为多场景适用锌金属电池设计提供了新思路。

　　

论文解读

水系锌离子电池（AZMBs）因其安全性和低成本被视为下一代储能技术的潜力候选者。然而，锌金属负极在实际应用中面临枝晶无序生长、电化学腐蚀和析氢反应（HER）三大难题。尤其在弯曲、挤压或极端温度条件下，这些问题会加速界面结构崩溃，甚至引发电池短路。传统的人工固态界面（ASSI）策略中，聚合物基界面存在离子传输慢、极化大等问题，而无机相易因应力不均导致脱落。如何构建兼具机械强度和环境适应性的多功能界面，成为该领域的关键挑战。

针对这一挑战，深圳大学的研究团队创新性地提出了一种电化学驱动的界面工程策略。他们采用金属表面耦合剂磷酸酯（MAHEPE）作为保护层，通过原位电化学转化构建了富含Zn₃(PO₄)₂纳米晶的杂化界面。该研究通过多尺度表征和理论计算揭示了界面演化机制，相关成果发表在《Nature Communications》上。

关键技术方法
研究通过刮涂法在锌箔表面制备MAHEPE涂层，结合电化学循环诱导原位相变。采用原子力显微镜（AFM）定量分析界面力学性能，结合飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）解析成分演化。通过原位差分电化学质谱（DEMS）监测析氢行为，密度泛函理论（DFT）计算阐明离子传输机制。组装对称电池和全电池（Zn||MnO₂、Zn||NaV₃O₈·1.5H₂O软包电池）评估电化学性能。

研究结果

界面设计与表征
初始MAHEPE涂层展现优异粘附性（接触角>90°），循环后转化为Zn₃(PO₄)₂纳米晶（晶面间距0.221/0.263 nm）与有机相共存的杂化结构。TOF-SIMS三维元素分布证实PO₄^3-信号均匀分布，而XPS显示P-O键（133.58 eV）和C=O键（288.5 eV）共存。

力学性能演化
AFM揭示界面杨氏模量从初始0.02 GPa（柔性有机相）升至6.66 GPa（5次循环后），低于纯锌电极（8.02 GPa），表明杂化界面兼具刚性和应力缓冲能力。粘附力从726.32 nN降至51.56 nN，证实有机相分解但界面保持完整。

界面化学调控
原位DEMS显示SEI Zn的H₂信号强度为零，pH值稳定在3.4（纯锌升至3.9）。DFT计算表明Zn₃(PO₄)₂对SO₄^2-吸附能（-3.02 eV）远高于Zn²⁺（-0.48 eV），使Zn²⁺迁移数提升至0.41。

沉积行为调控
chronoamperometry测试显示SEI Zn实现3D扩散（纯锌为2D扩散），成核过电位（10 mA cm^-2时185.0 mV）降低75%。原位光学观测证实30分钟沉积无枝晶，2D-XRD显示Zn(002)晶面占比随循环增加，抑制垂直生长。

多场景性能验证
对称电池在-30°C~60°C、1-20 mA cm^-2下稳定运行，10 mA cm^-2循环1500小时。Zn||MnO₂全电池700次循环容量保持率96.1%，1.25 Ah软包电池实现80%容量保持。准固态电池在180°弯曲或1 MPa压力下性能无损。

结论与意义
该研究通过电化学驱动的动态界面转化，构建了具有"疏水-亲锌"特性的多功能杂化SEI。其创新性体现在：①Zn₃(PO₄)₂纳米晶实现SO₄^2-锚定与Zn²⁺快速传输；②有机相分解自限性保证界面稳定性；③机械梯度设计缓解应力集中。这种"界面化学-力学"协同调控策略不仅推动了AZMBs实用化进程，也为其他金属电池界面设计提供了范式。研究展示的安时级软包电池和极端条件适应性，标志着锌电池向穿戴/植入设备应用迈出关键一步。