水系鋅金屬電池的人工涂層領域研究獲重要進展

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華南師范大學化學學院蘭亞乾教授和陳宜法教授在水系鋅金屬電池的人工涂層領域取得了重要研究進展。相關成果發表于Angewandte Chemie International Edition。華南師范大學化學學院博士生郭璨為該論文第一作者，蘭亞乾教授和陳宜法教授為通訊作者。相關研究得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的支持。

在用電設備安全事故頻發的時代背景下，水系鋅離子電池因其環境友好、安全性高以及理論容量高等優勢而成為極具前景的儲能體系。然而，水系鋅金屬電池的發展受到枝晶生長嚴重和析氫腐蝕等問題困擾。針對上述問題，研究人員的研究重點大都集中在抑制枝晶生長方面，對于析氫腐蝕卻少有研究涉及，而這兩者對于電池性能都是緊密相關的。

人工涂層作為人工保護層的一種，具有適應性強、操作簡單的特點可以在調控局部離子濃度和通量的同時顯著抑制枝晶生長帶來的體積膨脹。但是，傳統的人工涂層普遍存在功能單一、機械性能不足、孔隙率差以及浸潤性差的特點，且傳統的人工涂層對于緩解析氫反應的研究大都停留在物理阻擋層面（即減少溶劑水或水合鋅離子與電極的直接接觸）。

此外，通過一種簡單且適用性廣泛的策略來同時抑制鋅水系電池（ZABs）的枝晶生長和析氫反應是當下ZABs研究的難點之一。因此，設計并制備多功能高性能的人工涂層顯得尤為重要，以期望在抑制枝晶生長的同時可以顯著降低水合鋅離子的溶劑化效應進而抑制析氫反應。

在本項研究工作中，研究人員提出了通過制備了一系列的親鋅COFs（如Zn-AAn-COF，Zn-DAAQ-COF，Zn-DAA-COF），并將其作為水系鋅離子電池的人工涂層以抑制水系鋅離子電池的枝晶生長和析氫反應。這一方法能夠同時結合COFs材料的優點，使得所制備的COFs基人工涂層具有明確的結構、豐富的成核誘導位點、較好的空間靜電場效應以及多級孔道結構可以在抑制枝晶生長的同時顯著緩解析氫腐蝕。

通過電池性能測試，分子動力學模擬和密度泛函理論（DFT）計算等深入探究了高孔隙、功能化的COFs基人工保護層在電池充放電過程中對于枝晶生長的抑制作用及水合鋅離子的去溶劑化效果從而緩解析氫腐蝕。與純鋅箔電極相比，該改性后的鋅金屬負極表現出良好的循環穩定性（20 mA cm-2，3000次循環）、極低的成核過電勢（~79.1 mV）和析氫量（0.002 mmol h-1 cm-2，比純鋅箔的析氫量小2個數量級）。

該研究揭示了COFs在同時抑制析氫和枝晶生長方面巨大的應用前景和潛力，為后續的該領域的研究提供一定的理論參考和實驗基礎。