三维限域导向的铋/碳纳米管复合锌沟槽阵列阳极实现长效水系锌碘电池

（编辑推荐）本研究通过空间限域工程构建了Bi/CNT功能化的锌沟槽阵列阳极，利用铋纳米片的锌亲和特性（Zn2+-Bi相互作用）优化成核位点，结合三维碳纳米管（CNT）导电网络实现多向锌沉积。该设计同步抑制枝晶生长（3000小时循环）和析氢反应（HER），在5 A g?1下实现20,000次循环的锌碘电池（87.7%容量保持率），为水系电池金属阳极设计提供新范式。

　　

Highlight

本研究通过拓扑限域与多功能界面协同策略，创新性地设计了铋/碳纳米管（Bi/CNT）杂化材料修饰的锌沟槽阵列结构（图1a(iii)）。相较于纯锌阳极（图1a(i)）和普通沟槽锌网（图1a(ii)），该架构通过双重调控机制实现突破性性能：锌亲和性铋纳米片提供低吸附能成核位点（DFT验证），同时其固有析氢过电位抑制副反应；三维CNT网络则像"电荷高速公路"加速电子传输，并在机械应力下维持结构完整性。

Results and discussion

原位光学显微镜与COMSOL模拟生动捕捉到沟槽内的锌沉积动力学：60 μm宽通道像"交通管制员"引导Zn²⁺均匀分布，而Bi/CNT复合层则如同"分子磁铁"定向吸附离子，最终形成无枝晶的致密沉积层（图2d）。对称电池测试中，该阳极在1 mA cm^?2下展现22 mV的超低极化电压——相当于传统锌阳极的1/5，这归功于CNT的"电子桥梁"作用和铋的"成核向导"功能协同降低界面阻抗。

Conclusion

这项研究犹如为水系电池设计了"智能锌公寓"：沟槽阵列是钢筋骨架，Bi纳米片是精装修的吸附位点，CNT则是隐藏的电路系统。这种"建筑学思维"使锌碘全电池在5 A g^?1的严苛条件下仍保持99.7%的库伦效率，为下一代安全储能系统提供了可扩展的解决方案。