《Adv. Energy Mater.》：金属氧化物气凝胶：稳定锌金属负极新视野

Metal Oxide Aerogels: A New Horizon for Stabilizing Anodes in Rechargeable Zinc Metal Batteries

Zhenhai Shi, Suli Chen*, Zijian Xu, Zhanming Liu, Junhong Guo, Jian Yin, Pengwu Xu, Nan Zhang, Wenli Zhang*, Husam N. Alshareef*, Tianxi Liu*

Adv. Energy Mater. 2023, DOI: 10.1002/aenm.202300331

水系锌离子电池（ZIBs）因其资源丰富、环保、安全可靠等优点备受关注，其中，锌金属具有高理论比容量（820 mAh g^-1）和低氧化还原电位（-0.762 V vs. SHE）等优点，被认为是锌基电池理想的负极材料。然而，锌金属负极在温和水系电解液中的低稳定性极大地阻碍了ZIBs的发展和实际应用，在锌金属负极侧发生的锌枝晶生长和副反应（腐蚀、析氢等）会导致电池循环寿命降低和性能衰减。因此，探索和开发高效的锌负极保护策略势在必行。

近期，江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组提出采用富氧空位CeO₂气凝胶（VAG-Ce）作为人工界面层以稳定锌金属负极，有效解决了枝晶生长和界面副反应问题，实现了锌负极在高放电深度下的长循环稳定性。该VAG-Ce界面层同时集高Zn²⁺选择性、高孔隙率和轻质于一体。一方面，高孔隙率的VAG-Ce界面层作为离子筛可以为Zn²⁺提供快速的传输通道并均匀化界面Zn²⁺通量，调控Zn²⁺沉积行为以实现均匀的Zn沉积。另一方面，暴露在VAG-Ce表面的丰富氧空位可以有效捕获电解液中的SO₄^2-并形成电负性界面层，随后排斥锌负极周围剩余的SO₄^2-阴离子并吸引Zn²⁺，可以从根本上抑制寄生反应的发生，同时加速Zn²⁺迁移动力学。基于上述优势，VAG-Ce修饰的Zn负极表现出优异的循环稳定性，在1 mA cm^-2下具有超过4000小时的长循环，甚至在85%的高Zn利用率下，在8 mA cm^-2电流密度下依然可以稳定循环1200小时以上，实现了锌负极在超高放电深度下的长循环稳定性。本工作为开发无枝晶和无腐蚀的高稳定性先进锌金属负极材料提供了新视野。

本论文第一作者为化工学院硕士研究生史振海，通讯作者为江南大学刘天西教授/陈苏莉副教授、阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授和广东工业大学张文礼教授。

论文连接：https://doi.org/10.1002/aenm.202300331

金属氧化物气凝胶界面层稳定锌金属负极作用机制示意