迄今为止，水系锌金属电池因其安全性、成本效益和耐用性，已成为先进智能电子设备和大规模储能系统的最佳选择之一，然而锌负极依旧面临析氢反应、腐蚀以及枝晶生长等问题和挑战。在众多锌负极保护的策略中，引入界面层可以有效避免锌箔水系电解液的直接接触，从而抑制副反应，提升锌负极稳定性。 但是，如何综合调控界面层的亲锌性、结合强度和质荷传输动力学，从而均匀锌负极局部电流密度，降低锌成核能垒，避免锌枝晶产生，提升纵向锌沉积容量和锌沉积/溶解可逆性，仍然需要进一步的研究和关注。 近日，中国科学技术大学陈立锋教授、俞书宏院士和浙江大学陆俊教授合作，通过在层状高岭土中预载铜离子，并耦合置换反应和恒电流沉积，设计了一种在界面层中原位诱导梯度合金成核位点以提升锌负极稳定性的策略，构建了基于生物质基葡萄糖酸铜@羧甲基壳聚糖@高岭土的界面层，获得了高度稳定的Zn负极。
该界面层制备工艺简单、环境友好且易于规模化制备。首先，将葡萄糖酸铜与高岭土进行离子交换，实现铜离子在高岭土中的有效负载。其次，将负载铜离子的高岭土与羧甲基壳聚糖混合形成浆料，并通过涂覆，形成生物质基锌负极界面层。其中，高岭土作为有效的铜离子载体，不仅可以通过原位置换，提升与锌箔的结合力，同时还可以在锌沉积的过程中，实现铜离子的“缓释”，从而在界面层中原位诱导梯度合金亲锌位点的形成。 通过结构表征和电化学测试，以及DFT计算和COMSOL模拟，证实了该生物质衍生界面层和锌箔结合力强、亲锌性高，并且其中的高岭土和羧甲基壳聚糖能够有效促进锌离子的传递和脱溶剂化过程，提高了锌离子的迁移数，从而有效提升了连续垂直锌沉积容量和锌沉积/剥离的可逆性。 最终，该生物质衍生界面层保护的锌负极在非对称电池（2100次循环的平均库仑效率为99.6%）、对称电池（在电流密度2 mA cm-2下，稳定运行超过3600小时；在电流密度10 mA cm-2下，累积容量达5500 mAh cm-2）和全电池（1.2万次循环后容量保持率为83.5%）中均表现出优异的稳定性，并且实现了全电池在-30°C~60°C宽温域下具有出色的电化学性能。该项研究工作提出的原位诱导梯度成核位点材料的可持续、宏量制备策略为实现大规模生产高可逆锌负极提供了新思路。 论文信息 A Sustainable and Scalable Approach for In Situ Induction of Gradient Nucleation Sites in Biomass-Derived Interface Layers for Ultra-Stable Aqueous Zinc Metal Batteries Xin Liu, Jia-Wei Qian, Jing-Wei Chen, Yun-Kai Xu, Wei-Yi Wang, Wei-Xu Dong, Wei Hu, Guo-Rui Cai, Jun Lu, Shu-Hong Yu, Li-Feng Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202504613
