西北工业大学王建淦教授课题组EES：种上一片草，刷出“锌”天地

文 章 信 息

分子刷作为离子再分配器调控Zn²⁺通量和沉积实现长寿命锌金属电池

第一作者：刘焕岩

通讯作者：王建淦*

单位：西北工业大学

研 究 背 景

水系锌离子电池具有低成本、高安全、无毒无害等优点，得到了研究人员的广泛关注。金属锌凭借其较高的理论容量和合适的氧化还原电位，可直接用作该电池体系的负极。然而，金属锌在电化学工作过程中会产生枝晶，枝晶不断生长存在刺穿隔膜导致电池失效的局限，因此，需要发展无枝晶锌负极以促进锌离子电池的应用化进程。

文 章 简 介

为了解决金属锌的问题，本文中，西北工业大学王建淦教授课题组，在能源材料类国际顶级期刊Energy & Environmental Science（影响因子：39.714）上发表题为“Molecular brush: an ion-redistributor to homogenize fast Zn²⁺ flux and deposition for calendar-life Zn batteries”的研究论文。该研究提出了一种多功能的表面接枝策略，通过光引发表面自由基聚合法，将坚固、轻盈且亲锌的PSPMA分子刷原位锚定在锌负极表面。

研究表明，分子刷界面作为离子分配器能够均匀化界面上的Zn²⁺通量，并通过降低水合Zn²⁺的去溶剂化势垒来加速锌沉积动力学。此外，分子刷界面显著抑制了锌负极的腐蚀和析氢反应。分子刷接枝界面使锌负极在900次循环中具有高达99.9%的平均库仑效率。

基于该策略组装的PSPMA@Zn对称电池在10 mA cm^-2 的大电流密度下可稳定运行超过 2500 h，累计沉积容量高达12.5 Ah cm^-2。本研究开发了一种新的分子刷设计策略，并从根本上阐明了分子刷界面在稳定锌金属负极方面的重要意义。

本 文 要 点

要点一：多功能PSPMA分子刷界面层的原位构筑

该工作采用光引发表面自由基聚合法在锌负极表面原位构筑了多功能PSPMA分子刷界面层（图1）。该界面层显著增强了电极表面润湿性，能够加速电极/电解质界面处Zn²⁺的扩散，导致Zn²⁺迁移数达到0.80。

Fig. 1 (a) Schematic illustration of in situ grafting PSPMA molecular brushes onto the Zn anode and the corresponding photo-initiated surface radical polymerization mechanism through SET. (b) AFM image of PSPMA molecular brush-grafted interlayer revealing the surface roughness. (c) ATR-IR spectrum of the preapared PSPMA@Zn electrode. (d) High-resolution S 2p XPS spectra of bare Zn and PSPMA@Zn. (e) Water contact angles, the corrresponding (f) wetting free energy and (g) Zn²⁺ transference number of bare Zn and PSPMA@Zn electrodes.

要点二：PSPMA分子刷界面层实现无枝晶锌负极

电化学测试表明PSPMA@Zn可以达到900次的可逆沉积/溶解，平均库伦效率高达99.9%（图2）。对称电池在10 mA cm^-2大电流密度下能够稳定循环超过2500 h，累计沉积比容量高达12.5 Ah cm^-2。将其应用于全电池，具有更小的电压极化，全电池表现出更优异的倍率性能和循环稳定性。

Fig. 2 (a) Coulombic efficiencies of bare Zn and PSPMA@Zn plating/stripping on Cu foil at 5 mA cm^-2, and corresponding galvanostatic cycling curves for (b) bare Zn||Cu and (c) PSPMA@Zn||Cu asymmetry cells at specific cycles. (d) The comparison of CPC and average CE of the all-organic PSPMA@Zn with the reported inorganic, organic, and inorganic-organic composite protected Zn anodes. Cycling performance of bare Zn and PSPMA@Zn symmetric cells at (e) 1 mA cm^-2 for 0.5 mAh cm^-2 and (f) a high current density of 10 mA cm^-2 for 5 mAh cm^-2. (g) The CPC comparison of PSPMA@Zn symmetric cell with other reported literatures.

要点三：PSPMA分子刷界面层的作用机制

实验和理论计算表明，Zn²⁺优先吸附在SPMA分子中的磺酸基团上，结合能高更高，保证了界面处充足的Zn²⁺浓度。同时SPMA-H₂O的结合能也更高，有助于改善溶剂化结构，显著降低了水合锌离子的去溶剂化能垒，促进了锌离子的快速均匀沉积（图3）。

Fig. 3 Investigation of the molecular brushes on Zn deposition kinetics. (a) EIS curves of PSPMA@Zn at different temperatures, and (b) the calculated desolvation activation energies of both electrodes according to the Arrhenius equation. (c) I-t curves of bare Zn and PSPMA@Zn electrodes. (d) Theoretical calcualtion models and binding energies of Zn²⁺ with Zn substrate and preferent sites on the SPMA molecular. (e) Binding energies of H2O molecule with Zn²⁺ and SPMA and relating theoretical calculation models. Schematic illustration of the Zn²⁺ deposition mechanism on (f) PSPMA@Zn and (g) bare Zn.

文 章 链 接

Molecular brush: an ion-redistributor to homogenize fast Zn²⁺ flux and deposition for calendar-life Zn batteries

https://doi.org/10.1039/D2EE03952D

通 讯 作 者 简 介

王建淦教授简介：西北工业大学教授，博士生导师，省双创领军人才，省青年科技新星，香江学者。博士毕业于清华大学材料科学与工程系。主要从事高效能量存储（锂/钠/锌二次电池、电容器）与转换（电催化、光电催化）材料与器件的设计构筑及其应用研究。迄今在Prog. Mater. Sci, Energy Environ. Sci., Mater. Today, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater.等国际高水平刊物上发表论文120余篇，论文引用7900余次，h指数49。

第 一 作 者 简 介

刘焕岩西北工业大学材料科学与工程专业博士研究生。

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