锌金属负极因其高理论容量（820 mAh g^-1）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）、高安全性和可持续性,被认为是规模化能源存储系统的有力选择。然而，在实际运行过程中，枝晶生长、析氢反应以及钝化产物损害了负极/电解质界面的稳定，从而降低了锌负极的可逆性和实际循环寿命。在锌金属上构建人工固体电解质界面（SEI）作为保护层因其成本效益和易加工优势展现出巨大的应用潜力。尽管如此，当涉及到高倍率运行时，离子浓度梯度的影响变得更加明显，快速的离子消耗和缓慢的离子供应限制了反应动力学，最终导致锌枝晶。因此，有必要构建具有富集表面电荷和快速离子传输功能的SEI，以缓解浓差极化并提高锌负极的实际倍率性能。目前PEDOT/PSS能够通过电容效应富集金属表面电荷（Zn²⁺）同时提供快速的离子传输通道，然而高浓度的锌电解质会导致聚合物的相分离以及PEDOT的聚集。此外，在长期沉积/剥离过程中，锌会发生剧烈的体积变形，增加了聚合物界面破裂或分离的风险。因此，在极端条件下构筑稳定的SEI并实现均匀的离子分布，是提高锌负极倍率性能的关键。

图1 聚合物/无机界面的结构表征及空间电子/离子分布与锌沉积调控机理

        针对这一问题，联合团队协同攻关，创新地提出了一种水溶性和酸性的导电聚合物（PEDOT-SO₃H, CP），并通过原位化学腐蚀构建了一种新型的聚合物/无机SEI。外部聚合物层具有电容效应和负电荷特性，能够富集Zn²⁺并排斥SO4^2-。同时-SO3^-基团能够加速Zn(H₂O)₆²⁺的去溶剂化过程，减缓浓度梯度并提升反应动力学。此外，通过化学腐蚀和聚合物限制，在SEI内层构筑层状的ZnSO₄(OH)₆·5H₂O(LZHS)，利用晶格-晶格匹配，促进离子通量均匀化，引导Zn²⁺沿（002）面沉积。原位生成的LZHS作为致密界面，降低了界面阻抗并保持界面稳定性。

性能测试表明，由改性负极（PZn）组成的对称电池展现出超长的循环稳定性和出色的倍率性能（在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2条件下稳定运行4000小时，在20 mA cm^-2/1 mAh cm^-2下稳定运行1500小时），累积沉积容量达到15 Ah cm^-2。即使在10 mAh cm^-2（20 mA cm^-2）的高面积容量下，对称电池也可以稳定循环200小时。通过与KxMnO₂正极配对，全电池在1 A g^-1条件下循环1000次后具有80.1%的容量保持率。安时级软包电池的测试同样展现出优异的循环稳定性，进一步突出了通过导电聚合物的分子设计来定制功能界面的可行性，并构建实用型的水系锌离子电池。

        上述成果以题为“Ion-directed polymer/inorganic interphase with enriched charge for stable and high-rate Zn anodes”发表于Energy & Environmental Science期刊 (DOI: 10.1039/d6ee01602b)。第一作者为化学学院朱梅华博士，通讯作者为晁单明教授、白福全教授、材料科学与工程学院郎兴友教授和吉林师范大学冯明教授。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D6EE01602B