锌亲和性共价有机框架修饰隔膜促进平面选择性锌沉积实现高性能锌电池

针对水系锌电池（AZBs）中锌枝晶生长和电解液过度消耗的难题，研究人员通过希夫碱反应一步溶剂热法合成锌亲和性隔膜（GF@COF），利用共价有机框架（COF）的N/O活性位点调控Zn2+ 均匀分布并诱导(002)晶面择优沉积。该研究通过原位XRD/FT-IR证实COF可抑制枝晶形成、减少电解液损耗，使Zn|MnO2 全电池在5 A g?1 下循环2000次仍保持94%容量，为AZBs实用化提供新策略。

　　

随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，高安全、低成本、长寿命的储能系统成为研究热点。水系锌电池（AZBs）因采用不可燃电解液和可在空气中组装的特性备受关注，但其实际应用受限于锌负极的枝晶生长和电解液副反应。锌枝晶会刺穿隔膜导致短路，而不均匀的锌沉积会加速电解液消耗，这些问题严重制约电池的循环寿命。传统解决方案如锌亲和性集流体设计或凝胶电解质引入，往往面临制备复杂或离子传导率下降的困境。

为解决这一挑战，上海大学等机构的研究团队创新性地通过希夫碱反应一步溶剂热法，在玻璃纤维（GF）隔膜表面原位生长共价有机框架（COF），构建了具有锌离子调控功能的GF@COF复合隔膜。研究发现，COF中的亚胺键、羰基和三嗪环等含N/O官能团对Zn²⁺
具有强吸附作用，能均匀分散界面锌离子并加速传输。更重要的是，COF与锌金属的(100)/(101)晶面存在特异性相互作用，可屏蔽这些高活性晶面，促使锌沿电化学稳定的(002)晶面平面沉积。该成果发表于《Nano Today》，为AZBs的界面工程提供了新思路。

研究采用三大关键技术：1）溶剂热法原位合成COF修饰隔膜；2）结合密度泛函理论（DFT）计算分析COF与Zn晶面的结合能差异；3）通过原位X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）实时监测锌沉积行为及电解液消耗。

结果与讨论

1. 材料设计与表征：扫描电镜显示COF在GF表面形成致密覆盖层（图S1），X射线光电子能谱证实亚胺键（C=N）和C=O键的存在。DFT计算表明COF对Zn²⁺
   的吸附能（-3.21 eV）远高于GF（-0.87 eV）。

2. 电化学性能：使用GF@COF的对称电池在10 mA cm^?2
   下实现4500小时超长循环，过电位仅25 mV。Zn|MnO₂
   全电池在5 A g^?1
   大电流下循环2000次后容量保持率达94%，远超文献报道值。

3. 机理验证：原位XRD显示(002)晶面衍射峰强度随循环逐渐增强，证实COF诱导的晶面择优生长；原位FT-IR显示GF@COF组电池的电解液特征峰衰减速率比对照组慢67%，说明副反应显著抑制。

结论与意义
该研究通过界面化学调控实现了锌沉积的"双控制"：空间上利用COF的锌亲和位点均匀离子分布，晶向上通过晶面屏蔽效应引导(002)面择优生长。这种"平面选择性沉积"机制不仅解决了枝晶问题，还降低了电解液消耗速率。相较于传统改性方法，GF@COF隔膜制备工艺简单、与现有电池产线兼容性强，为AZBs的规模化应用提供了切实可行的技术路径。研究提出的晶面工程策略也可拓展至其他金属电池体系，具有普适性指导价值。