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我院谢雪芳副教授团队在《ACS nano》发表重要研究成果

2026年06月02日 20:28

我院谢雪芳副教授团队（联合中南大学方国赵教授）在水系锌电池凝胶电解液改性研究方面取得重要进展。研究成果以“Electron-initiated self-growth in situ hydrogel electrolyte with gradient protection interface enables stable zinc metal batteries”为题，发表于国际知名期刊《ACS nano》（影响因子15.5），中南大学材料科学与工程学院为第一完成单位，学院硕士研究生杨宇晴和何琼为论文共同第一作者，通讯作者为谢雪芳副教授、方国赵教授。

研究领域：

二次电池电极材料设计、低成本电解液调控、电极界面研究、第一性原理计算、分子动力学模拟

研究背景/选题意义/研究价值：

随着全球能源需求持续增长，可持续清洁储能系统的研发迫在眉睫，水系锌金属电池凭借锌资源丰富、成本低廉且本征安全性高的优势，成为储能领域的重点研究方向，但其商业化进程始终受锌枝晶无序生长、电化学腐蚀、氢气析出等界面问题制约。当前学界围绕锌负极界面调控开展了诸多研究，人工涂层、电解液改性、水凝胶电解质设计等策略相继被提出，其中原位水凝胶电解质因能实现电极与电解液的无缝贴合，兼具离子传导与枝晶阻隔性能，成为极具潜力的解决方案。然而传统预制水凝胶存在界面接触不良、离子传输无序、保护效果单一等弊端，而电子引发自生长原位水凝胶可构建梯度保护界面，实现界面防护与离子调控的协同作用，但目前该方向尚未攻克电子引发自生长机制、梯度界面构效关系等科学问题，同时实现梯度界面防护与长效稳定锌负极的双功能协同体系仍存在诸多技术瓶颈，亟待突破，开展此项研究对推动水系锌金属电池实用化具有重要的理论意义与应用价值。

主要研究内容：

本研究开发了电子引发自生长原位水凝胶电解质，通过电子触发聚合反应在锌负极表面原位构筑梯度保护界面，依托梯度结构的分层调控作用，重塑电极/电解质界面结构，优化锌离子溶剂化环境，均匀界面电场分布，既物理阻隔锌枝晶的无序生长，又有效减少游离水与锌负极的接触，从根源上抑制析氢、腐蚀等副反应。该梯度保护界面赋予电池优异的电化学性能，组装的Zn||Zn对称电池在0.5 mA cm^-2 （0.5 mAh cm^-2）的测试条件下，展现出超长循环稳定性，稳定运行时长超3000小时。搭配AlVO正极组装的软包全电池，实现了1000次以上的稳定循环，且循环过程中无明显容量衰减，库伦效率始终保持在高位。这种电子引发自生长、兼具梯度保护界面的水凝胶电解质设计，为解决锌负极界面不稳定难题提供了全新思路，其简单高效的制备方式也为高性能水系锌金属软包电池的规模化发展奠定了坚实基础。

图1 （a）非原位GPE和（b）原位GPE生产工艺的示意图

图2 (a) GPE在界面处的原位聚合机理。(b) SBMA分子、PEG和H₂O在锌阳极上的吸附能。(c) 锌阳极界面自由基聚合自生长水凝胶示意图。(d) 原位GPE沿轴向的扫描电镜（SEM）图像

图3 (a) 原位GPE、非原位GPE和GF的FTIR光谱。(b) 原位GPE强静电相互作用示意图。(c) 原位GPE/Zn阳极和非原位GPE/Zn阳极界面的SEM横截面图。(d) GPE与Zn阳极的平均剪切和剥离粘附强度。(e) 原位GPE对Zn阳极的能谱（EDS）映射图。(f) 原位GPE锌阳极的F1s和O 1s光谱。(g) 原位GPE锌阳极和非原位GPE锌阳极（接触10 min）的FTIR光谱。(h) SBMA的分子静电势

图4 (a) Cu||Zn电池的库仑效率。(b) 0.5mA cm⁻²和0.5 mah cm⁻²下Zn||Zn电池的长期循环性能。(c) 不同电流密度下的倍率性能。(d) 在1mA cm^-2和1mAh cm^-2下的长期循环性能。(e) 放电深度（DOD）为34.14%时Zn||Zn电池的循环性能。(f) Cu箔在原位GPE和非原位GPE中，在1 mA cm^-2下分别作用1、3和8 h的SEM图像。(g) 锌阳极在1 mAcm^-2和1 mAh cm^-2的不同电解质中循环50次后的XRD图谱。(h) 原位GPE和非原位GPE在不同时间记录的锌沉积过程中锌/电解质界面的原位光学照片。

图5 (a)原位GPE循环后Zn阳极的SEM横截面图及相应的EDS映射图。(b)原位GPE对锌阳极进行20次循环后的C1s、F1s和S2p的深度XPS光谱。(c)原位GPE/Zn阳极界面上形成的梯度SEI层示意图。(d) Zn(CF₃SO₃)₂和SBMA的分子轨道能。(e)非原位GPE或原位GPE在Zn阳极上形成SEI的机理示意图

图6 原位GPE和非原位GPE对Zn||AlVO电池电化学性能的影响(a)评价执行情况。(b) 0.5 A g⁻¹下的循环性能。(c) 50次循环后，原位GPE和非原位GPE锌阳极的SEM图像。(d) 1.0 A g⁻¹时的长期循环性能。(e)循环后Zn与原位GPE和非原位GPE的XRD图谱。(f)不同质量载荷下的循环性能。(g)原位GPE软包电池的循环性能。

主要创新点：

1.提出电子引发的界面自生长原位聚合机制，利用锌金属的电子给体特性触发凝胶从锌阳极界面向电解质本体垂直定向生长，替代传统无序聚合方式，实现凝胶的可控生长。构建的稳定双功能层，有效抑制了副反应，防止游离水与锌阳极界面反应。

2.构建锌阳极有机-无机梯度保护界面，通过SBMA预吸附抑制电解质盐无序分解，形成内无机、外有机的电子绝缘/离子导电异质界面，突破传统静态界面调控局限，从根源抑制锌枝晶。

3.设计轴向取向的两性离子凝胶结构，使凝胶内官能团精准排列形成快速锌离子传输通道，同时径向交联网络提供机械支撑，兼顾高离子电导率与抗锌沉积应力变形性能。

受项目资助信息：

本研究得到了国家发展计划项目（Grant No. 2023YFC2908305）;国家自然科学基金重大研究计划（Grant No. 92472116）;中南大学创新驱动研究计划（Grant No. 2023CXQD038）的资助。

论文链接：

DOI: 10.1021/acsnano.5c04942

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