轻质高强金属材料创新团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表最新研究成果

近日，轻质高强金属材料创新团队在水系锌离子电池锌负极研究方面取得重要进展。相关成果以“Tailored N-Doped Micro-Mesoporous Carbon-Based Artificial Protective Layer With Uniform Electric Field and Desolvation for Dendrite-Free Zn Anodes”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子19.9）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）为第一署名单位。材料学部2023级硕士研究生王雪丽为论文第一作者，冯玄圣助理研究员、周吉学研究员、青岛科技大学孙长龙副教授和西北工业大学黄英教授为论文共同通讯作者。

锌枝晶生长与界面副反应两大问题严重制约了水系锌离子电池（AZIBs）的实际应用。为此，本文提出一种锌负极人工保护层的定制化结构构筑方案。以通草（MT）为骨架，在其表面原位均匀生长ZIF-8纳米颗粒，再经高温热解处理，成功制备出定制化氮掺杂微-介孔碳材料（ZMC2）人工保护层。该材料微孔占比81.4%，介孔占比18.6%。

图1 ZMC2制备流程图与形貌

本工作结合分子动力学（MD）模拟、密度泛函理论（DFT）计算与实验表征验证，系统阐明了ZMC2材料内部微-介孔结构、导电碳基底与氮掺杂活性位点三者的协同作用机理。ZMC2经优化的微-介孔结构能够加速水合锌离子脱溶剂化。同时依托导电碳基底与多孔网络骨架，实现界面电场均匀化并精准调控离子传输通量。与此同时，ZMC2表面的氮掺杂活性位点可引导锌离子均匀吸附，促使金属锌稳定沉积。得益于上述多重协同作用，ZMC2人工保护层既能有效抑制锌枝晶滋生，又可大幅缓解界面副反应的发生。除此之外，基于ZMC2@锌负极组装的对称电池、半电池与全电池均表现出优异的循环稳定性与电化学可逆性能。本研究工作证明以生物质碳为基底构建定制化氮掺杂微-介孔保护层的改性策略，在高性能水系锌离子电池领域具备极高的可行性与应用潜力。

图2 MD模拟碳材料微-介孔结构对水合锌离子的脱溶作用

图3 微-介孔结构中电解液离子扩散行为模拟与密度泛函理论计算呈现的锌原子在不同人工保护层上的吸附能及锌吸附产生的电荷密度差分图

该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的支持。