李先锋/王二东EnSM: 基于坚固的阳离子导电膜实现高性能锌金属电池

水系可充电锌金属电池由于其高容量、高安全性和低成本等优点，在大规模储能方面引起了极大的关注。然而，由枝晶生长和寄生反应引起的锌金属负极的有限寿命和库仑效率阻碍了其进一步应用。

在此，中科院大连化物所李先锋研究员、王二东研究员等人提出在锌金属负极上构建一层Zn²⁺交换磺化聚醚酮（Zn²⁺-SPEEK）薄膜来引导锌的均匀沉积。原始的磺化聚醚酮（SPEEK）是由商用PEEK通过磺化反应合成的，然后在(CH₃COO)₂Zn溶液中浸泡后转化为Zn²⁺-SPEEK。其中，SPEEK因其坚硬的芳香骨架表现出优异的机械强度并通过与Zn²⁺的交联进一步增强，从而在较长的循环寿命期间可以保持其完整性。

此外，磺酸盐官能团 (-SO₃^–) 倾向于与Zn²⁺配位，提供快速离子传输通道并降低去溶剂化损失。这种协同效应可以促进锌负极表面的Zn²⁺通量分布和快速的转移动力学。此外，Zn²⁺-SPEEK薄膜可通过减少Zn²⁺ 溶剂化鞘层的水来实现高库仑效率（CE），从而减少电解液分解。

图1. 在Zn²⁺-SPEEK薄膜存在下的Zn电沉积机理

得益于以上效应，SPEEK-Zn//SPEEK-Zn对称电池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2的条件下表现出超过4000小时的出色循环稳定性及50 mV的低过电位。此外，组装的SPEEK-Zn//VO₂全电池也表现出优异的倍率性能，在2 A g^-1下仍表现出101 mAh g^-1的高容量。在200 mA g^-1和约10 mg cm^-2的高面积质量负载（2 mA cm^-2和2.5 mAh cm^-2）条件下，该全电池可稳定循环超过140次且容量衰减极小（保持率为93.1%）。

甚至，SPEEK-Zn//VO₂电池在长时间放置后仍保持99.3%的原始容量，高于Zn//VO₂电池（92.9%）。总之，这项工作为综合考虑各种性能构建先进的保护层提供参考，并为开发用于锌金属电池和其他金属离子电池的其他高性能涂层开辟新的思路。

图2. Zn//VO₂全电池的电化学性能

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