锌枝晶与电极/电解液界面处Zn2+无序沉积的问题严重阻碍了水系锌金属电池的商业化。

2025年12月22日，中南大学周双，潘安强在国际知名期刊Advanced Energy Materials发表题为《Ion Highway Regulator Enables Highly Reversible Zinc Metal Anode》的研究论文，Tao Zhang为论文第一作者，周双，潘安强为论文共同通讯作者。

研究人员提出构建“Zn2+高速通道”策略，引入纳米硅酸锆界面层（ZSP）：ZrSiO4具有低Zn2+迁移能垒，可提升离子传输效率并抑制枝晶，实现高度可逆的锌金属负极。

ZSP@Zn//ZSP@Zn对称电池在0.25mAcm-2（0.25mAhcm-2）下循环寿命超过4700h；即使在≈85.4%的深放电深度下，仍能稳定运行400h以上。高负载NH4V4O10//ZSP@Zn全电池（15.25mgcm-2，N/P=2.1）在1Ag-1下循环520圈后保持80.48%初始容量（187.32mAhg-1）；软包电池（11.96mgcm-2，N/P=2.3）在0.8A g-1下最大容量达209.22mAhg-1，150圈后容量保持率81.14%。该策略为高度可逆的水系锌金属电池开辟了新路径。

面对日益严峻的能源消耗与环境污染，开发兼具高安全、高能量密度、环保低成本的新型储能器件已成为产业与科研的迫切任务。锌金属负极拥有高理论体积容量、低成本与本质安全等优势，使水系锌金属电池成为替代锂/钠储能的有力候选。然而，析氢、锌腐蚀及Zn2+无序沉积等问题显著阻碍其发展，这些缺陷源于析氢热力学势垒与Zn2+沉积动力学不匹配，叠加副反应后在负极表面形成不可控枝晶，极易引发内短路。因此，解决上述难题是实现可充AZMBs大规模应用的必由之路。

近年来，研究者致力于：一、设计复合锌负极基体以调控晶体取向；二、调整电解液组分；三、构筑人工界面层。虽取得一定进展，但复合负极易局部失效，仍会在特定区域优先沉积形成枝晶；而界面工程因选材丰富、增强效果显著，被视为实现长循环的更有效途径。通过物理隔离电解液与金属，可抑制副反应与钝化层生成。已有纳米CaCO3、己硫醇、TiO2、聚酰胺、氧化石墨烯、APM、Si3N4等被用作隔离层，但其缺乏快速导锌通道，Zn2+只能沿裂缝或孔隙穿行，无法及时补充消耗的离子，导致还原与迁移动力学失配，并难以适应深放电下的体积变化，从而限制高电流稳定性与能量密度。因此，开发高效导锌界面层是提升性能、推动实用的关键。

针对反应动力学与深放电瓶颈，本研究提出在锌负极表面构建“Zn2+高速调节器”，以降低电池内阻并实现快速均匀沉积，达到无枝晶镀锌。

ZrSiO4为常见硅酸盐，其锆-氧八面体与硅-氧四面体共顶点连接形成稳定三维骨架，表面Zn²⁺迁移能垒低于体相，电场作用下离子可沿ZrSiO4快速迁移至锌表面沉积。本文由此引入纳米ZrSiO₄界面层（ZSP），其表面能为Zn²⁺提供低势垒“高速通道”，同时吸附能远负于锌基底，可引导离子快速均匀沉积；致密光滑的ZSP膜还能阻隔腐蚀性电解液。

ZSP@Zn//ZSP@Zn对称电池在0.25mAcm-2下循环超过4700h；在1mAcm-2、5mAhcm-2、≈85%深放电条件下仍可稳定运行400h以上。高负载NH₄V₄O₁₀//ZSP@Zn全电池（≈15.25mgcm^-2，N/P≈2.1）在1Ag-1下循环520圈，保持187.32mAhg-1；软包电池（11.96mgcm-2）150圈后仍维持209.22mAhg-1，展现出“高速调节器”策略的优异实用前景。

图1：Zn²⁺高速调节器机理一览。ZrSiO₄体相迁移势垒1.43eV，表面降至0.04eV；吸附能远低于Zn基底，驱动Zn2+沿表面高速迁移至负极沉积，实现无枝晶电镀。

图2：ZSP物理-电化学表征。200-300nm纳米颗粒形成≈10μm致密层，离子电导0.72mScm-1；CA、CV、LSV、Tafel、GITT联证其降低活化能、提升t+、均化电场，为“高速通道”提供定量依据。

图3：长循环后电极形貌与实时沉积动态。高倍循环500次后裸Zn出现Zn4SO4(OH)6·nH2O副产物与多孔枝晶，ZSP@Zn表面保持平整；原位光学与CLSM显示ZSP全程抑制凸起，高低差由26.8μm降至10.8μm。

图4：对称/半电池极限性能对比。Zn//Cu在5mAcm-2下2160圈平均CE99.88%；对称电池0.25mAcm-2寿命>4700h，5mAcm-2>2700h，20mAcm^-2仍稳运行660h；85.4%DOD下持续400h，远胜裸Zn的25h。

图5：高负载NVO全电池与软包实用验。NVO//ZSP@Zn高负载15.25mgcm-2(N/P2.1)520圈保持80.48%容量；软包11.96mgcm-2150圈保持81.14%，自放电率仅14.9%，曲线高度重叠，证实ZSP策略的商用潜力。

综上，本研究在锌负极表面构筑纳米ZrSiO4“Zn2+高速调节器”，利用低表面迁移势垒（0.04eV）与弱吸附能引导Zn2+快速均匀沉积，实现对称电池4700h超长循环、85%DOD下400h稳定运行及高负载NVO全电池520圈80.48%容量保持，为深放电、高倍率、柔性水系锌电池商业化提供可扩展的界面工程新路线。

Ion Highway Regulator Enables Highly Reversible Zinc Metal Anode. Adv. Energy Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/aenm.202505244

文章来源：电池未来

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