王开学/汪羽翎/黄卫ACS Nano：基于离子选择性涂层的隔膜实现高度逆锌负极

可充水系锌离子电池（ZIBs）由于其低成本和高安全性而引起了广泛的关注。然而，锌金属负极上枝晶生长和副反应的关键问题阻碍了ZIBs的商业化。

上海交通大学王开学、汪羽翎、黄卫等证明了Zn₄SO₄(OH)₆·5H₂O副产物的形成与Zn电极和SO₄^2-/H₂O之间的直接接触密切相关。基于这一发现，作者开发了一种涂覆在锌表面的全氟磺酸（PFSA）阳离子交换膜，以调节锌的沉积/剥离行为。

图1 材料表征和具有PFSA保护膜的锌金属负极的Zn沉积过程示意

具有丰富选择性Zn²⁺离子通道的PFSA层可以阻挡SO₄^2-/H₂O穿过人造SEI膜的进入，从而显著减轻腐蚀并提高Zn负极的稳定性。同时，Zn²⁺离子与磺酸基的强相互作用促进了水合Zn²⁺离子的脱溶剂化，从而加快了Zn2+离子的迁移速率。高Zn²⁺迁移数(0.84)和离子电导率(2.7 × 10^-2 mS cm^-1)也有助于快速Zn²⁺离子迁移动力学和Zn²⁺在Zn表面分布的均匀化，从而抑制Zn枝晶的生长。

图2 半电池性能

因此，无枝晶和无腐蚀的Zn@PFSA负极可以在1.0 mA cm^-2时稳定运行超过1500小时，并且电压滞后仅为22 mV。高度可充的Zn@PFSA||MnO₂全电池在2 C下循环超过500次后可提供211.3 mAh g^-1的大容量。这种用阳离子交换膜制备人工SEI膜的简单且低成本的策略在抑制ZIBs的副反应和枝晶生长方面具有巨大的潜力。

图3 COMSOL模拟和全电池性能

Highly Reversible Zinc Anode Enabled by a Cation-Exchange Coating with Zn-Ion Selective Channels. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c02370

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