原位构建的富Zn3N2杂化固态电解质界面确保高效锌沉积动力学实现超稳定锌-碘电池
单位：南京工业大学，扬州大学，南洋理工大学，厦门理工学院
可充电水系锌碘（Zn-I2）电池由于其固有的安全性和低成本而成为大规模储能技术的有前途的候选。然而，Zn负极处的界面不相容性和复杂的寄生反应，包括析氢反应（HER）、Zn枝晶生长、腐蚀和钝化，严重阻碍了它们的商业化。这些耦合的副反应导致快速容量退化、差的倍率性能和低的库仑效率（CE）。因此，开发一种有效的策略来同时抑制这些寄生反应至关重要。
目前，改善锌负极电化学性能的策略主要包括：电极结构、电极保护层设计和电解质工程设计。总的来说，界面调节被认为是实现Zn-I2稳定运行的关键切入点。在这些方法中，构建先进的固体电解质界面（SEI）层已被确定为解决这些挑战的最有前途的方法之一。然而，在传统的硫酸锌（ZnSO4）电解质体系中形成的SEI层由于其单组分性质导致离子电导率差和结构不均匀（无机物质），使其机械脆弱，易于开裂或分层。这导致连续SEI增厚，内阻增加，电解质耗尽，和容量衰减。
近日，南京工业大学李秋龙、扬州大学薛攀团队于国际知名期刊《Small》发表最新的研究成果。该研究提出一种基于平面共轭高分子全氟酞菁铜（FCP）的新型电解液添加剂策略，以构建富含Zn3N2的无机-有机杂化SEI层，具有扩展的π共轭结构的FCP能有效地加速平面内电子转移，并产生离域电场，促进Zn2+的快速迁移除溶剂化作用外，FCP在电极表面形成稳定的双电层，抑制局部电场，防止Zn与水直接接触，从而有效抑制副反应。FCP对Zn2+也表现出很强的亲锌性，有效引导其均匀迁移和沉积。最重要的是，源自FCP的富含Zn3N2的无机-有机杂化SEI层显著加速了Zn2+的传输，消除了浓差极化，并提供了显著增强的循环稳定性。组装的对称电池在20和50 mA cm-2的大电流密度下也能保持稳定操作超过6000次循环。此外，集成到Zn-I2电池中时，该系统具有出色的循环稳定性，在50 C的倍率下循环65000次后仍保持80.9%的容量。
图1.纯ZnSO4电解液中副反应和枝晶生长等副反应机理以及FCP保护机制的示意图。
FCP的大环共轭结构使得π电子云均匀分布，能够在整个环骨架上自由移动，促进Zn²⁺与电子在面内快速传输，降低电池界面阻抗与体相阻抗，从而均匀化电场分布和Zn²⁺通量。同时FCP丰富的亲锌官能团N、F原子通过其强极性，能够吸附Zn²⁺并与金属Zn产生相互作用，降低Zn²⁺成核过电位，促进Zn²⁺在电极表面均匀成核，避免尖端效应形成枝晶，促进水合Zn²⁺的去溶剂化。FCP还能吸附在电极表面形成稳定的电双层结构，均匀化局部电场，并防止Zn负极与水直接接触，从而有效抑制副反应的发生。
要点二：富Zn3N2的无机-有机杂化固态电解质界面
传统硫酸锌（ZnSO4）中形成的SEI层由于其单组分（无机物质）特性，常常存在离子导电率差和结构不均匀性，在循环过程中容易开裂或分层。这导致SEI持续增厚、内阻增加、电解质耗尽和容量衰减。由FCP衍生出的富Zn3N2的无机-有机复合SEI层利用无机组分的高刚性和强度，有效抑制树突生长，而有机组分则提供足够的灵活性，以适应Zn2+电镀/剥离过程中体积的变化。显著加快了Zn2+的传输速度，缓解了浓度极化现象，并显著提升了循环稳定性。
得益于上述优势，组装的对称电池能够实现超长的循环寿命，在电流密度为20 mA cm-2时可超过6000次循环，并且在极高电流密度为50 mA cm-2时仍能保持稳定运行超过6000次。此外，锌负极展现出极高的电化学效率(CE)为98.7%，且在含FCP的电解液中进行电镀/剥离操作时表现出优异的可逆性。当集成到Zn-I2电池中时，该系统展现出卓越的循环稳定性，在高倍率50 C下进行65000次循环后仍能保持80.9%的容量。
当前研究的核心是解决锌负极的界面不稳定性，充分利用全氟酞菁铜的结构优势与原位形成的杂化SEI，重构Zn2+的溶剂化环境，并引导Zn2+均匀、无枝晶沉积。实现了50 C的电流密度下65000次的超长循环后仍具有80.9%的容量保持率，以及在20、50 mA cm-2的电流密度和1 mAh cm-2的容量下对称电池可稳定运行6000圈以上。这项工作不仅为开发实用且高性能的锌碘电池提供了可靠的解决方案，还为先进电解液的设计提供了全新的设计思路。
In Situ Constructed Zn3N2-Enriched Hybrid Solid Electrolyte Interphase Enables Highly Efficient Zinc Deposition Kinetics for Ultra-Stable Zinc-Iodine Batteries
https://doi.org/10.1002/smll.202513659
李秋龙，博士，教授，2020年10月以海外高层次人才C类计划入职南京工业大学材料科学与工程学院。一直聚焦于新型水系电化学储能系统、锂/钠离子电池、电磁屏蔽与吸波材料前沿方向，在高性能电化学储能材料及高效电磁屏蔽和吸波材料的设计与可控制备等方面取得了系统性成果。以第一/通讯作者发表学术论文50余篇，包括Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Letters、Energy Storage Materials、Small、Carbon、Journal of Colloid And Interface Science、Composites Part B、Journal of Materials Chemistry A、Composites Part A、Science Bulletin、Nano Research、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry C、Materials Today Energy、ACS Applied Materials & Interfaces等，5篇入选Web of Science高被引论文，总被引4100余次（H-index为37），授权国家发明专利2项。主持国家自然科学基金、中国博士后基金、江苏省博士后基金、南京工业大学人才科研启动项目、产学研项目等。担任Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Small、J. Mater. Chem. A等50余种国际期刊审稿人。
薛攀：香江学者，扬州大学青年百人、副教授。2022年博士毕业于南京大学，同年加入扬州大学化学与材料学院(创新材料与能源研究院)。研究聚焦于高性能二次电池(包括锂/锌金属电池、锂硫电池、钠离子电池)的关键材料创新与电解质技术突破。尤其致力于智能固态电解质的前沿构建，旨在解决当前电池技术对运行环境温度与地域的严重依赖，推动高安全、高比能二次电池在极端条件下的实际应用。通过在分子尺度上设计功能电解质体系，有效抑制枝晶生长、拓宽电化学窗口，为实现宽温域、高适应性储能系统提供了新路径。迄今，已发表论文60余篇，其中以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Adv. Sci.、Energy Storage Mater.等国际知名期刊发表论文20余篇，个人H-index 26。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、香江学者计划、重点实验室开放课题等多个科研项目。
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联系方式：qlli@njtech.edu.cn（李秋龙老师）
