苏州纳米所蔺洪振团队Adv. Sci.: 超快亲锌离子导体提升低温锌金属电池界面快速脱溶动力学
水系锌金属电池（AZMBs）作为一种高安全、低成本的电化学储能技术，因其高比容量（820 mAh g-1）和合适的氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）而受到广泛关注。然而，析氢反应（HER）、锌腐蚀以及锌枝晶生长严重影响了水系锌电池的性能，尤其在低温工作环境下应用仍面临极大挑战。从本质上讲，上述问题来源于锌离子在电极/电解质界面上的无序行为，包括高的[Zn(H2O)6]2+脱溶能垒和缓慢的Zn2+迁移动力学。
基于此，结合合作团队前期在设计界面调控层以降低能垒提升载流子传输动力学等研究基础（Adv. Mater. 2023,35,2302828;Angew 2023,135,e202311693;Adv. Funct. Mater. 2023,2302624;Adv. Funct. Mater. 2023,2305674;Adv. Funct. Mater. 2023,33,2212499;ACS Nano 2023,17,1653;Adv. Funct. Mater. 2022,31,2110468;ACS Nano 2022,16,17729;Energy Storage Mater. 2022,52,210;Adv. Funct. Mater. 2021,31,2007434;Adv. Sci. 2022,2202244;Nano Lett. 2022,22,8008;Nano Lett. 2021,21,3245;Energy. Environ. Mater. 2022,5,731），必须合理设计电极/电解质界面，以增强其脱溶剂化能力和离子扩散动力学。
针对锌金属电池中的高去溶剂化能垒和缓慢的扩散动力学等问题，中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士（现为洪堡学者）及华东理工大学张永正博士，构筑了具有丰富亲锌位点和超快速离子传输通道的层状硅酸锌纳米片界面层（LZS），用于实现快速的界面Zn2+脱溶动力学和随后的增强Zn2+传输动力学（图1）。通过理论模拟、电化学分析、原位光谱和电化学表征，全面论证了LZS在降低去溶剂化能垒、加速界面裸Zn2+均匀传输的重要作用。
图1. Zn@LZS界面层设计及物性表征
界面[Zn(H2O)6]2+在沉积前需要经过解离，这是离子快速传输的迫切需要。研究者采用原位界面和频光谱（SFG）监测了有/无偏置电压下界面[Zn(H2O)6]2+的演化过程，揭示了LZS界面层能显著促进[Zn(H2O)6]2+去溶剂化。拉曼也进一步印证LZS能促进[Zn(H2O)6]2+解离。此外，模拟计算也表明LZS层对锌原子具有更强的吸附能力和更低的去溶剂化能垒，进一步表明了LZS去溶剂化作用。
图2. Zn@LZS界面去溶剂化研究
界面[Zn(H2O)6]2+的脱溶过程决定了随后的离子扩散动力学。通过计算离子电导率（σ）和Zn2+迁移数进一步评价了界面去溶剂化能力和Zn2+扩散动力学。一方面，Zn2+迁移数和σ增大表明水合锌离子的快速解离和大量裸Zn2+的释放，为后续扩散和成核提供了充足的Zn2+；另一方面，具有丰富纳米级扩散通道的LZS层可以作为Zn2+导体，加速裸Zn2+的横向扩散，使锌沉积层光滑（图3）。
图3. Zn@LZS界面锌离子传输动力学优化
得益于快速去溶剂化和随后界面裸Zn2+快速传输，Zn@LZS//Cu半电池的库伦效率超过99.8%，并且能稳定循环600圈，证明了LZS层具有优异的沉积/剥离可逆性。组装的Zn@LZS对称电池具有优异的低温循环稳定性。此外，飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表明LZS界面层经过循环后，依旧能稳定保持在锌片表面（图4）。
图4. Zn@LZS界面层对其电化学性能的影响
LZS界面层也显著提升了Zn@LZS//V2O5-x全电池的电化学性能（图5）。组装的Zn@LZS//V2O5-x全电池具有优异的低温循环稳定性、倍率性能和低自放电率，组装的大尺寸软包在1 A g-1下循环100次后可获得367 mAh g-1的高容量，并且成功为手机充电，赋予了LZS人工界面层巨大的应用潜力。
图5. Zn@LZS//V2O5-x全电池电化学性能
以上研究成果以Superfast Zincophilic Ion Conductor Enables Rapid Interfacial Desolvation Kinetics for Low-Temperature Zinc Metal Batteries为题，发表在Advanced Science期刊中。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所成晓敏博士，通讯作者为华东理工大学张永正博士、德国亥姆赫兹电化学研究所王健博士和中国科学院苏州纳米所蔺洪振研究员，以上工作受到江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海扬帆计划、中国博士后科学基金、江苏省创新创业博士项目、上海超级博士后项目及德国洪堡基金等基金项目支持，得到了中国科学院苏州纳米所Nano-X的表征技术支持。
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