三校联合！悉尼科技大学/北交大/郑大，ACS Nano！混合分子筛界面层实现无枝晶锌负极

随着个人和工业应用中的能源需求不断增长，人们开始寻求高效、经济的可持续能源存储技术。在众多备选中，水性锌离子电池因其高安全性、经济性、环境友好性和良好的功率密度而受到关注。但是，锌金属负极存在严重的锌枝晶生长和不良的副反应问题，限制了其实际应用。

在此，悉尼科技大学汪国秀，北京交通大学何婷婷、郑州大学郜贝贝、金阳等人提出了一种混合分子筛为基础的界面层(表示为Z₇M₃)，具有分级多孔结构的锌金属负极，其中包含70 vol %的微孔ZSM-5分子筛和30 vol %的介孔MCM-41分子筛。分子动力学模拟显示MCM-41的介孔(~2.5 nm)可以限制自由水分子的无序扩散，增加界面层对水性电解质的润湿性。

此外，ZSM-5的微孔(~0.56 nm)可以通过减少成键水分子来优化Zn²⁺的溶剂化结构，同时降低溶剂化水分子对Zn²⁺的约束力，从而促进Zn²⁺在Z₇M₃中的渗透和扩散动力学。在锌沉积过程中，混合分子筛的协同作用使锌电极表面的Zn²⁺浓度保持恒定，从而形成无枝晶的锌负极。

图1. Zn²⁺在不同锌金属负极上的沉积行为示意图

总之，该工作证明了基于杂化分子筛的界面层(Z₇M₃)可显著提高Zn金属负极在水性ZnSO₄电解质中的界面稳定性。结合MD模拟计算和实验结果，作者证明了MCM-41在Z₇M₃界面层中的介孔在抑制自由水分子无序扩散和增加对水性电解质的润湿性方面发挥了重要的物理约束作用。此外，ZSM-5在Z₇M₃界面层中的微孔通过减少离子溶剂化鞘中的结合水表现出明显的脱溶作用。

基于此，在Z₇M₃@Zn负极上形成了一个缺乏水的界面，有助于沿(002)晶面均匀沉积锌，抑制副反应。Z7M3@Zn电极对称和全电池显示出显著改善的循环性能。因此，该工作结合了微孔分子筛和介孔分子筛的优点，合成了用于高级锌金属负极的多功能分层多孔界面层，可在其他水系金属电池中找到更广泛的应用。

图2. 电池性能

Hybrid Molecular Sieve-Based Interfacial Layer with Physical Confinement and Desolvation Effect for Dendrite-free Zinc Metal Anodes, ACS Nano 2024 DOI: 10.1021/acsnano.4c04632

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