复旦/南大Nano Lett.: 基于亲锌位点+碳笼的分级限域实现稳定水系锌电！

锌基水系电池（ZABs）被认为是“后锂”时代安全和大规模储能的有希望候选者。然而，Zn捕获的动力学和稳定性问题仍不能同时调节，特别是在高倍率和负载条件下。

为此，复旦大学晁栋梁研究员、南京大学Pan Xue等人提出了一种分级限域策略，通过构建具有亲锌Co位点和空间限域的共嵌入碳笼（表示为CoCC）来实现高倍率和长期稳定的锌负极。其中，锌金属密集地封装在碳纤维之间的间隙和CoCC主体的中空碳笼内。Zn沉积特性可通过以下方式有效调节：

（i）亲锌Co位点作为具有低成核势垒的首选成核位点，可定向引导Zn成核（0.5 mAh cm^-2以内起作用）；

（ii）具有高表面积的碳笼用作锌“捕获器”，可在空间上限制金属锌在笼内的均匀生长（在5.0 mAh cm^-2以内起作用）；

（iii）3D精细化的一体化框架不仅可以降低局部电流密度和均匀Zn²⁺通量，还可以缓冲长期镀锌/剥离过程中的巨大体积变化（12 mAh cm^-2以内起作用）。

图1. 锌箔、碳纤维和CoCC网络上的Zn沉积示意图

镀锌后CoCC主体的结构和形态变化阐明了Co位点和多孔碳笼在定向引导Zn 金属的成核和空间受限沉积中的重要作用，Zn金属镀层的原位光学显微镜观察进一步证实了CoCC框架内的空间限域效应。因此，相比于纯锌箔负极，Zn@CoCC复合负极在20 mA cm^-2的超高电流密度下能够实现无枝晶镀锌/剥离，具有超过800圈的稳定循环寿命和约65 mV的低过电位。

此外，基于Zn@CoCC复合负极组装的全电池在2000 mA g^-1的超高电流密度下仍可提供高达2000圈的长循环寿命，表明其出色的耐用性和可靠性。最后，作者基于有限元（FEM）模拟和第一性原理理论计算从理论层面阐释了空间限域效应。总之，这项工作为进一步研究用于稳定金属负极的先进主体设计和构建提供了启示，并促进下一代高性能水系电池的发展。

图2. 含CoCC的水系ZAB的原位光学观察和电化学性能

Hierarchical Confinement Effect with Zincophilic and Spatial Traps Stabilized Zn-Based Aqueous Battery, Nano Letters 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01235