水系鋅金屬電池因其低成本、高安全性和環(huán)保特性，被認(rèn)為是未來儲能領(lǐng)域的重要解決方案。然而，鋅負(fù)極的熱力學(xué)不穩(wěn)定性限制了其長期循環(huán)性能和實(shí)際應(yīng)用，主要表現(xiàn)為鋅枝晶的生長、嚴(yán)重的析氫反應(yīng)、腐蝕反應(yīng)等。研究表明，界面修飾是提升鋅負(fù)極電化學(xué)穩(wěn)定性的有效手段之一。合理的界面化學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是突破鋅負(fù)極電化學(xué)性能瓶頸的關(guān)鍵。
近日，化工學(xué)院朱曉東、木天勝團(tuán)隊(duì)利用原子層沉積（ALD）和分子層沉積（MLD）技術(shù)成功開發(fā)了一種用于鋅金屬負(fù)極保護(hù)的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合界面，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)聚脲（PU）和無機(jī)氧化鋁（Al2O3）組分在分子-原子尺度的雜化。相關(guān)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合界面中的極性官能團(tuán)有利于鋅離子的配位與輸運(yùn)，能夠?qū)崿F(xiàn)界面良好的“親鋅”屬性，降低鋅離子的擴(kuò)散能壘。同時(shí)，無機(jī)組分的引入增強(qiáng)了復(fù)合界面的機(jī)械穩(wěn)定性。基于此，復(fù)合界面保護(hù)的鋅負(fù)極展現(xiàn)了良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。在1.0 mA/cm-2、1.0 mAh/cm-2下，鋅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)5800小時(shí)。在2.0 mA/cm-2、2.0 mAh/cm-2下，鋅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)5000小時(shí)。此外，鋅負(fù)極的電化學(xué)穩(wěn)定性也在扣式和軟包全電池中得到了驗(yàn)證。
結(jié)合TOF-SIMS、深度XPS刻蝕、AFM等表征技術(shù)，該工作深入解析了復(fù)合界面的電化學(xué)演變，解析了界面電化學(xué)性能與界面機(jī)械性能之間耦合關(guān)系。以上成果以“Artificial organic-inorganic hybrid interface enables reversible Zn anodes”為題發(fā)表在Nano Energy期刊。化工學(xué)院教師木天勝為第一作者，朱曉東教授為通訊作者。以上研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110835
