《Adv. Funct. Mater.》：功能气凝胶驱动离子界面迁移动力学与电解质微环境同步调控策略助力高稳定锌负极

Functional Aerogel Driven Synchronous Modulation of Zn²⁺ Interfacial Migration Behavior and Electrolyte Microenvironment Enables Highly Reversible Zn Anodes

Zhenhai Shi, Junhong Guo, Zhuanyi Liu, Zijian Xu, Jiayi Yu, Jianguo Ren, Suli Chen*, Tianxi Liu*

Adv. Funct. Mater. 2024, DOI: 10.1002/adfm.202406568

近年来，基于锌金属负极的水系锌离子电池（AZIBs）由于具有低成本、高安全、环境友好等优点而受到了广泛关注。但是，锌金属负极面临的腐蚀、枝晶生长和析氢反应等问题严重损害了锌负极的沉积/剥离库伦效率，限制AZIBs的进一步发展和实际应用。研究证实，锌负极界面处的离子分布不均、电池循环过程中电解质pH的变化以及负极表面不规则副产物的生成是导致上述问题的主要原因。构建人工界面保护层以修饰锌金属表面是解决枝晶形成和界面副反应最有效的策略之一。然而，大多数保护层中Zn²⁺的迁移路径主要依赖于随机和不规则裂纹或堆积形成的孔隙，并且难以实现对电解质pH微环境的实时原位调控。因此，为了获得高稳定锌金属负极，迫切需要探索开发一种多功能界面层，以实现对Zn²⁺界面迁移动力学和电解质pH的同步调控。

鉴于此，本课题组提出了一种功能气凝胶驱动Zn²⁺迁移行为和电解质pH同步调控策略，以解决由于电解质微环境变化、锌沉积不受控制以及电解液与锌负极过度接触而导致锌负极性能衰退的棘手问题。具体而言，本工作合成了一种La(OH)₃气凝胶（LAG）并将其用作锌负极人工界面层。在电镀过程中，由LAG衍生自发形成的层级界面层（HIL）能够协同调节锌负极表面Zn²⁺的界面迁移动力学和离子分布通量。其中，原位衍生的氢氧化硫酸锌（ZHS）层限制了SO₄^2-的渗透，加速了Zn²⁺的迁移动力学，而气凝胶层作为离子筛均匀化了Zn²⁺的分布，促进了Zn的均匀沉积。同时，得益于弱碱性LAG的微溶特性，实现了对Zn负极界面电解质微环境的同步调控，从而有效抑制了自腐蚀和析氢的发生。基于HIL对界面Zn²⁺迁移行为和电解质pH的同步调控，LAG@Zn负极表现出无枝晶和无腐蚀的高度可逆性，Zn/MnO₂全电池也表现出良好的循环稳定性和高放电深度下的高容量保持率。总之，本工作提出的功能气凝胶驱动Zn²⁺迁移行为和电解质pH同步调控策略为开发先进的锌金属负极提供了一种新思路。

本论文第一作者为化工学院博士研究生史振海，通讯作者为江南大学刘天西教授和陈苏莉副教授。

论文连接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406568