科研進展
蘭州化物所蒙脫石保護鋅負極實現(xiàn)長壽命水系鋅離子電池獲系列進展
采用天然礦物調(diào)控電化學界面獲得長壽命水系鋅離子電池（AZIBs）對于推動AZIBs儲能應用具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。為此，中國科學院蘭州化學物理研究所資源化學與能源材料研究中心電化學儲能研究團隊針對長壽命水系鋅離子電池開展系統(tǒng)性研究。
圖1.蒙脫石保護鋅陽極機理。
前期，團隊聯(lián)合西北民族大學光電器件及量子信息研究團隊采用黏土礦物材料表面工程調(diào)控策略，將天然蒙脫石（MMT）作為保護涂層沉積到鋅箔表面，設計構筑出MMT@Zn復合陽極。電化學研究結果顯示，MMT@Zn||MMT@Zn對稱電池在0.5 mA cm-2、0.125mAh cm-2條件下循環(huán)壽命超5600小時，在5mA cm-2、1.25mAh cm-2的苛刻條件下仍穩(wěn)定循環(huán)1800小時以上；MMT@Zn||V2O5全電池在2A g-1電流密度下循環(huán)3000次后仍保持穩(wěn)定比容量，同時展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能與抗自放電能力。相關研究工作以“A surface engineering strategy for the stabilization of zinc metal anodes with montmorillonite layers toward long-life rechargeable aqueous zinc ion batteries”為題發(fā)表在 Journal of Energy Chemistry上（2025,100,94-105,IF=14.90）。
圖2. Zn2+在裸Zn陽極和MDS@Zn陽極上的沉積示意圖。
圖3. (a) MDS的靜電勢（ESP）分布圖。(b) 電化學石英晶體微天平（EQCM）測試中，有無MDS層時電鍍過程的質(zhì)量變化圖。(c) 基于電荷轉移電阻計算的裸鋅和MDS@Zn陽極的活化能。(d)、(e)、(f) 分別為Zn2+、H2O和SO42–在裸鋅和MDS陽極（002）晶面上的吸附能圖。(g) 裸鋅陽極和 (h) MDS@Zn陽極在10mA cm–2電流密度下鋅沉積過程的原位光學顯微鏡圖像。
在上述研究工作基礎上，為進一步拓寬Zn2+的傳輸通道、實現(xiàn)“親鋅疏水”和Zn（002）晶面沉積的有效調(diào)控，研究團隊通過雙十二烷基二甲基溴化銨（DDAB）插層MMT成功制備出MDS改性黏土礦物材料，并將其均勻涂覆于鋅箔表面構筑出MDS@Zn復合陽極。研究結果表明，MDS涂層不僅能夠有序引導Zn2+傳輸、促進(002)晶面擇優(yōu)沉積，且能有效阻隔電解液與鋅負極之間的直接接觸，繼而顯著抑制鋅枝晶生長、析氫反應及腐蝕副反應。DFT計算證明，MDS對Zn2+、H2O和SO42–表現(xiàn)出更強的吸附能，進一步驗證了其優(yōu)異的電化學界面調(diào)控能力。電化學研究表明，MDS@Zn對稱電池在2mA cm–2和1mAh cm–2條件下可實現(xiàn)超過3620小時的穩(wěn)定循環(huán)，在5mA cm–2的高電流密度下仍能連續(xù)運行3800小時。MDS@Zn||Cu半電池在1mA cm–2和1mAh cm–2條件下循環(huán)3600小時后，平均庫侖效率高達99.5%。此外，基于MDS@Zn負極與VO2正極構建的全電池在2.5A g–1下經(jīng)歷1300次循環(huán)后，容量保持率仍達95.5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和應用前景。
相關研究工作以“A Modified Montmorillonite Coating Strategy for Stable Zinc Anodes with Enhanced Ion Transport Kinetics in Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發(fā)表在Renewables（中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊，DOI: https://doi.org/10.31635/renewables.025.202500106）上。蘭州化物所為第一完成單位，蘭州化物所和西北民族大學聯(lián)培碩士生王文博、蘭州化物所王柯碩士研究生為該論文的共同第一作者，蘭州化物所馬鵬軍副研究員、楊兵軍副研究員、張旭助理研究員為共同通訊作者。
上述研究得到了國家自然科學基金面上項目、中國科學院西部青年學者項目、甘肅省自然基金重點項目、蘭州市青年科技人才創(chuàng)新項目、蘭州市城關區(qū)科技計劃人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項目和蘭州化物所青年科技工作者協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟合作基金項目的支持。
