水系可充電鋅金屬電池由于其高容量、高安全性和低成本等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能方面引起了極大的關(guān)注。然而，由枝晶生長和寄生反應(yīng)引起的鋅金屬負(fù)極的有限壽命和庫侖效率阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。

在此，中科院大連化物所李先鋒研究員、王二東研究員等人提出在鋅金屬負(fù)極上構(gòu)建一層Zn²⁺交換磺化聚醚酮（Zn²⁺-SPEEK）薄膜來引導(dǎo)鋅的均勻沉積。原始的磺化聚醚酮（SPEEK）是由商用PEEK通過磺化反應(yīng)合成的，然后在(CH₃COO)₂Zn溶液中浸泡后轉(zhuǎn)化為Zn²⁺-SPEEK。其中，SPEEK因其堅硬的芳香骨架表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度并通過與Zn²⁺的交聯(lián)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而在較長的循環(huán)壽命期間可以保持其完整性。

此外，磺酸鹽官能團(tuán) (-SO₃^–) 傾向于與Zn²⁺配位，提供快速離子傳輸通道并降低去溶劑化損失。這種協(xié)同效應(yīng)可以促進(jìn)鋅負(fù)極表面的Zn²⁺通量分布和快速的轉(zhuǎn)移動力學(xué)。此外，Zn²⁺-SPEEK薄膜可通過減少Zn²⁺ 溶劑化鞘層的水來實現(xiàn)高庫侖效率（CE），從而減少電解液分解。

圖1. 在Zn²⁺-SPEEK薄膜存在下的Zn電沉積機(jī)理

得益于以上效應(yīng)，SPEEK-Zn//SPEEK-Zn對稱電池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2的條件下表現(xiàn)出超過4000小時的出色循環(huán)穩(wěn)定性及50 mV的低過電位。此外，組裝的SPEEK-Zn//VO₂全電池也表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，在2 A g^-1下仍表現(xiàn)出101 mAh g^-1的高容量。在200 mA g^-1和約10 mg cm^-2的高面積質(zhì)量負(fù)載（2 mA cm^-2和2.5 mAh cm^-2）條件下，該全電池可穩(wěn)定循環(huán)超過140次且容量衰減極小（保持率為93.1%）。

甚至，SPEEK-Zn//VO₂電池在長時間放置后仍保持99.3%的原始容量，高于Zn//VO₂電池（92.9%）?？傊?，這項工作為綜合考慮各種性能構(gòu)建先進(jìn)的保護(hù)層提供參考，并為開發(fā)用于鋅金屬電池和其他金屬離子電池的其他高性能涂層開辟新的思路。

圖2. Zn//VO₂全電池的電化學(xué)性能

Tailoring Interfacial Zn²⁺ Coordination via a Robust Cation Conductive Film Enables High Performance Zinc Metal Battery, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.04.031