近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授、张冬教授，机械与航空航天工程学院刘春宝教授以及中国第一汽车集团有限公司王德平等人在水系锌离子电池锌金属负极保护研究方面取得新进展。研究成果以“Recyclable and Ultrafast Fabrication of Zinc Oxide Interface Layer Enabling Highly Reversible Dendrite-Free Zn Anode”为题，于2023年1月30日在线发表在《ACS Energy Letters》。
水系锌离子电池凭借其高安全性和环境友好等特点吸引了广泛关注。然而，在实际应用过程中，Zn2+在锌负极表面无序沉积形成的枝晶会导致电池的短路。此外，电解液与锌负极之间的界面副反应也会产生一系列的绝缘副产物，降低了锌负极的可逆性。这些行为严重影响了水系锌离子电池的库仑效率和使用寿命。目前，研究人员已经开发出多种涂层技术来克服这些问题。然而，现有的涂层技术都存在一定的局限性。比如刮刀涂覆工艺很难实现锌负极表面涂层材料厚度的均匀分布。磁控溅射或原子/分子层沉积技术往往需要复杂的实验设备来实现，并且适用的材料也十分有限。自组装策略一般只适用于价格昂贵的二维层状材料，如Mxene和RGO。更重要的是，这些非原位加工方法需要对原涂层材料进行额外的合成工艺，涂层也容易在锌离子剥离/电镀的过程中脱落。相比之下，原位制备方法有利于获得致密均匀、附着力更好的保护层。然而，目前报道的原位加工工艺仍需要额外的复杂设备和长时间的高温烧结过程，这不可避免地增加了生产成本和能耗，违背了开发低成本储能装置的初衷。在这种情况下，需要开发一种节能、成本低廉的锌负极加工方法来有效地促进水系锌离子电池的快速发展。
图：可回收I2辅助加工策略示意图及加工后IAZO负极的电化学表现
本工作创新性地提出了一种具有高可持续性比和低成本的可回收I2辅助方法，在锌负极上原位制备ZnO界面层（记为IAZO）。该方法实现了室温下、无需后期退火的超快加工过程（只需要5分钟），并且原料I2可从加工后的废液中进行回收（回收率为67.25%）。该加工策略极大地降低了锌负极加工处理过程中的能耗，节约了生产成本。结合实表征、COMSOL模拟和DFT计算，该处理策略构建的IAZO负极不仅可以降低Zn2+的脱溶剂化势垒，有效抑制副反应和提升反应动力学，还能够调节电场和Zn2+通量分布，实现Zn2+的均匀沉积。最终，加工后IAZO负极在400次循环中表现出99.6%的平均库仑效率，实现了超过3100小时的超长循环寿命和52%的高锌利用率，远远优于原始锌负极(不到220小时和1.7%)。此外，组装的IAZO/MnO2全电池在循环1800次后仍旧保持了152 mA h g-1的高放电容量，为实现稳定的锌金属负极提供了一种非常有前途的简便和低成本的加工方法，有效地推动了水系锌离子电池的商业化进程。
物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室马晨辉和机械与航空航天工程学院杨孔华为本文的共同第一作者。本文通讯作者为物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授和张冬教授、机械与航空航天工程学院刘春宝教授以及中国第一汽车集团有限公司王德平。该工作得到了国家自然科学基金、吉林省科技厅和中央高校基本科研专项资金等项目的资助。
谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞！
论文全文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c02735
