东北师大/大化所AFM：原位聚合物保护层助力水系锌金属电池2000次循环！

水系锌金属电池因其高理论比容量、适当的氧化还原电位和显著的可持续性而受到前所未有的关注。然而，由臭名昭著的锌枝晶生长和严重的界面副反应引起的棘手问题严重阻碍了它们的大规模利用。通过平行排列方式诱导锌电沉积是实现无枝晶锌金属复极（ZMA）的关键。

东北师范大学张景萍、吴兴隆、中科院大连化物所Jia-Wei Wang等首次提出了一种独特的聚合物分子设计策略来解决上述问题，即通过蒽醌重氮四氟硼酸盐（AQN₂⁺BF₄^–）的自发聚合反应在锌表面化学接枝一层薄的聚蒽醌（PAQ）覆盖层。

图1 PAQ覆盖层的原位形成和保护机制示意图及表征

原位形成的PAQ覆盖层作为人工保护层，由于其丰富的官能团，对锌负极表面具有很强的附着力。并且它可以通过降低活化能和通过与Zn的强亲和力来限制Zn²⁺离子的2D扩散来显著增强Zn²⁺离子的传输动力学。同时，PAQ覆盖层可作为信标，在初始成核阶段引导Zn²⁺离子沿（002）面择优取向，然后在随后的生长过程中以平行排列的方式在满意的成核位点上诱导Zn沉积，从而获得平面Zn沉积形态。

此外，PAQ覆盖层可以通过平衡电极附近的电场和离子浓度分布来使Zn²⁺离子通量均匀化，从而协同抑制Zn枝晶的形成。更重要的是，PAQ覆盖层还起到防腐蚀层的作用，将锌负极与电解液物理隔离，避免涉及析氢和锌腐蚀的界面副反应。

图2半电池性能

因此，对称电池中的Zn@PAQ在1 mA cm^-2的电流密度下表现出出色的循环稳定性，超过1750小时，并且只有很小的电压波动。此外，Zn@PAQ在4 mA cm^-2的电流密度下可循环1200次，并实现了99.7%的高CE。特别是在10 mA cm^-2的高电流密度下，Zn@PAQ仍可稳定循环700次，CE高达99.8%。

令人鼓舞的是，组装的Zn@PAQ/NH₄V₄O₁₀全电池显示出令人印象深刻的循环稳定性，在2 A g^-1 下经过2000次循环后仍保持令人满意的287.8 mA h g^-1放电容量。总体而言，这项工作通过聚合物分子设计原位构建的人工保护层为增强电极/电解质的界面稳定性和开发无枝晶ZMA开辟了一条新途径，极大地促进了水系锌基储能系统的商业化发展。

图3 全电池性能

Polymeric Molecular Design Towards Horizontal Zn Electrodeposits at Constrained 2D Zn2+ Diffusion: Dendrite-Free Zn Anode for Long-Life and High-Rate Aqueous Zinc Metal Battery. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202204066