Plasma-assisted aerogel interface engineering enables uniform Zn²⁺ flux and fast desolvation kinetics toward zinc metal batteries

Zijian Xu, Zhenhai Shi, Zhan Chang, Fan Feng, Zhuanyi Liu, Dongkun Chu, Jianguo Ren, Zi-Feng Ma, Suli Chen,* Tianxi Liu

J. Energy Chem. 2024, DOI: 10.1016/j.jechem.2024.03.018

锌金属具有高理论比容量、低氧化还原电位和丰富储量等优点，是水系锌离子电池（AZIBs）最理想的负极材料之一。然而，不可控的锌枝晶生长和严重的寄生副反应导致电池库仑效率（CE）低和寿命有限，严重限制了锌金属负极在AZIBs中的发展和实际应用。研究表明，在锌沉积过程中，Zn²⁺缓慢的去溶剂化过程和在锌负极表面的不均匀分布是导致上述问题的主要原因。因此，改善Zn²⁺迁移动力学和促进均匀的Zn沉积被认为是实现无枝晶和无腐蚀高性能AZIBs的关键。众所周知，隔膜是处于电池正负极之间防止电池短路的重要组件，更重要的是，隔膜作为多孔材料还会影响离子的空间分布，进而直接影响离子的界面迁移和沉积行为。然而，目前广泛使用的玻璃纤维（GF）隔膜虽然具有高孔隙率、高离子导电率以及对水系电解液润湿性好等优点，但GF不均匀的孔径分布会导致不均匀的锌沉积而引发枝晶生长，进而造成电池短路甚至失效。因此，设计开发功能性隔膜以实现均匀的离子通量分布和快速的迁移动力学，进而稳定锌金属负极，对实现具有长循环稳定性的AZIBs具有重要的意义。

鉴于此，本课题组提出一种等离子体辅助气凝胶（PAG）界面工程策略以实现高度稳定的锌金属负极，由PAG界面层修饰的功能化非对称GF隔膜（PAG@GF）具有均匀的离子纳米通道和丰富的亲水基团，可以协同调控负极/电解质界面Zn²⁺通量分布和去溶剂化行为。首先，具有均匀纳米通道的PAG@GF隔膜具有离子筛的作用，能够有效调节沉积过程中Zn²⁺在负极/电解质界面的分布，从而诱导Zn的均匀沉积，抑制锌枝晶的生长。同时，经等离子体技术处理的PAG界面层含有丰富的亲水（-OH、-COOH、-NH₂等）基团，可通过氢键作用与溶剂化结构中的水分子相互作用，从而促进脱溶过程，加速Zn²⁺的迁移动力学。研究结果表明，相比于传统的GF隔膜，基于PAG@GF隔膜的Zn||Zn对称电池表现出更优异的循环稳定性（在1 mA cm^-2条件下超过1400 h），此外，与Zn||GF||MnO₂电池相比，Zn||PAG@GF||MnO₂全电池的电化学性能也得到了显著增强。本工作提出的等离子体辅助气凝胶界面工程策略为开发先进的隔膜材料和锌金属负极提供了有益借鉴。

该成果以题为“Plasma-assisted aerogel interface engineering enables uniform Zn²⁺ flux and fast desolvation kinetics toward zinc metal batteries”在国际学术期刊J. Energy Chem.（影响因子：13.1）上发表，江南大学化学与材料工程学院2021级本科生徐子健是本论文第一作者，2023级博士生史振海为共同第一作者，通讯单位为江南大学。

     论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.03.018