锌金属电池在大规模存储中显示出巨大的应用前景，因为其具有安全性高、成本低、环境友好、合成条件简单等优点在清洁能源体系中受到广泛关注。然而，较活泼的锌金属在水系电解质中不可避免地会发生自发腐蚀和溶解等问题，导致锌负极的循环稳定性较差。为了提高锌阳极的循环稳定性，需要一个稳定的锌阳极/电解质界面来抑制枝晶的形成和副反应。

王浩、万厚钊教授课题组设计了一种独特的EHI，成功地实现了一种可逆的、无枝晶的锌阳极。并利用各种表征方法对EHI的微观结构和形成机理进行了全面和深入的分析。特殊设计的有机-无机杂化结构显著抑制了锌阳极的腐蚀和氢的演化，显著提高了锌阳极的稳定性，实现了无枝晶的锌沉积。

图1 DMF对Zn2+溶剂化鞘的调节。(a) 内源性有机-无机杂化界面示意图。(b) Zn2+-H2O、Zn2+ - DMF和Zn2+ - OAc-的结合能及其相应的模型。(c) ZDH8电解液的MD模拟图。(d) 径向分布函数和配位数。(e) 溶剂化结构中Zn2+的脱溶能。

图2 内源性有机-无机杂化界面的微观结构及表征。(a) 与ZDH8电解质循环后的横截面扫描电镜图像。(b-c) 横截面的能量色散光谱仪映射。(d-f) 在ZDH8电解质中循环后的HRTEM。(g) 不同的Ar+溅射时间下的C 1s和 (h) O 1s XPS谱。(i) 循环后锌表面的FTIR。(j)循环后的锌表面拉曼光谱。(k) EHI的原理图示意图。

图3 ZDH8电解质保护锌阳极。(a) 使用ZDH8和ZH锌电解质Tafel图对比。(b) 使用ZDH8和ZH锌电解质的LSV图。(c) Zn2+转移数的比较。(d) 在-150mV下不同电解质的CA对比。(e) 水和DMF的吸附能的比较。(f) 使用ZH电解质和 (g) ZDH8电解质在原位光学下锌表面的变化。(h) 使用ZH电解质和 (i) ZDH8电解质沉积后的3D景深图。

图4 EHI提高了电池的可逆性。(a) 在1 mA cm−2和 (b) 3 mA cm−2下不同电解质中的循环性能。(c) ZDH8中Zn||Zn对称电池在不同电流密度下的倍率性能。(d) CE。(e) 与库仑效率对应的电压极化曲线。(f) ZDH8电解质和ZH电解质的综合比较。(g) 使用优化后的电解液与最近报道的策略比较。

图5 用ZDH8电解质组装的锌离子超级电容器。(a) Zn||AC组装的锌离子电容器原理图。(b) 不同扫面速率下的CV曲线。(c) 不同电流下的GCD曲线 (d)倍率性能。(e) 用ZDH8电解液和ZH电解液组装的电容器的转移阻抗对比。(f) 使用ZDH8电解质和 (g) ZH电解质锌表面的扫描电镜图像。(h) 在1 A g−1下的循环性能。(i) 在40℃条件下的循环性能。

该研究提出了一种内源性的有机无机杂化界面（EHI）来稳定锌阳极。EHI层是由电解质极性分子N，N二甲基甲酰胺（DMF）和乙酸锌在充放电过程中原位形成的。EHI界面主要由含有N-H和-甲基基团的有机外层和含有氧化锌和碳酸锌的无机内层组成。该EHI能够有效的抑制直径的生长，降低析氢反应和锌表面的腐蚀，提高锌阳极循环稳定性。此外，DMF还调节了Zn2+的溶剂化结构，与水分子形成氢键，促进了Zn2+的动力学过程，调节了Zn2+的沉积行为。本研究为也为实现稳定、可逆的锌离子电池提供了一个可行的思路。（审稿人：田务民）