近日，中国海洋大学材料科学与工程学院在水系锌电研究领域取得新进展，相关论文《亲锌活性位点调控微空间电场实现无枝晶锌负极》(Atomic Zincophilic Sites Regulating Microspace Electric Fields for Dendrite-Free Zinc Anode)发表在国际顶尖期刊Advanced Materials（IF：29.4）。材料科学与工程学院2022级博士研究生范文杰为第一作者，吴敬一教授和王焕磊教授为共同通讯作者，中国海洋大学材料科学与工程学院为第一通讯单位。
得益于无毒、不易燃和低成本的水系电解液以及储量丰富的锌金属负极，水系锌离子电池被看作是锂离子电池的绝佳替代品。然而，电极/电解液界面存在的固有不均匀性容易导致不均匀的电场分布和形核能垒，进而加剧枝晶生长和表面副反应，降低了电池系统的库伦效率和循环寿命，严重阻碍了水系锌离子电池的规模化使用。因此，通过调节微空间的电场分布来促进均匀的锌金属沉积对于构建高性能锌金属负极是具有重要意义的。
基于此，研究团队设计了负载金属钴单原子的碳纳米片（CoSA/C）作为电解液添加剂，用于调节锌-电解液界面的微空间电场。CoSA/C添加剂对锌金属具有较强的亲和力，因此在锌金属沉积过程中可以优先吸附在锌表面。添加剂中原子分散地Co-N3活性位点具有良好的亲锌性和较强的电荷极化效应，可以重新分配界面处的微空间电场和调节离子通量，从而诱导均匀的锌沉积。值得注意的是，在沉积过程中吸附在锌金属表面的CoSA/C添加剂在电位反转后可以重新分散到电解液中，从而实现了动态和可持续的调节过程。研究结果表明，即使在10 mA cm-2的高电流密度下，使用CoSA/C添加剂的锌金属对称电池可以稳定循环超过1600 h。此外，作为概念验证，CoSA/C添加剂被进一步应用在多种水系锌基器件中，其带来的良好的性能改善表现出实际应用的潜力。本项工为构建高性能水系锌电池提供了一种简单而高效的策略，并且该设计概念在其他金属电池中也具有潜在的应用前景。
吴敬一教授主要从事新型复合材料的设计及其在下一代二次电池中的应用，目前研究聚焦在水系锌电池、锂金属电池、固态电池。自2022年以青年英才工程第一层次引进入材料学院以来，在国家自然科学基金青年基金、山东省泰山学者青年专家、中国海洋大学青年英才工程的资助下，已经以中国海洋大学为第一单位在Advanced Materials (2022)、SusMat (2022)、Energy & Environmental Materials (2023)、Small Methods (2023)等高水平期刊上发表了一系列工作。本次在Advanced Materials上发表的研究成果是该研究团队在国内外科研合作和人才培养方面取得的又一重要进展。
文/图：范文杰
附：论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202307219
