大连化物所陈忠伟院士/窦浩桢&东北林大窦烁等：安时级实用化水系锌电池！原位构筑高选择性界面膜离子通道实现

Engineering In situ Loose Selective Interface with Conducting Channels for Practical Ah-level Aqueous Zinc Metal Batteries

Dongdong Wang, Shuo Dou*, Qiongying Huang, Jiaying Li, Mi Xu, Jingshuai Li, Zhendong Guo, Siqi Qin, Tieyan Wang, Haipeng Yu, Haozhen Dou*, and Zhongwei Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 431

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02264-y

本文亮点

1. 借助多孔有机笼自组装，在水系锌金属电池中原位构筑疏松高离子选择性界面膜。

2. 多孔LSI可实现Zn²⁺快速传输、动态自修复能力及无枝晶锌沉积。

3. 安时级水系锌软包电池实现了1 Ah的容量，并表现出稳定的循环性能。

研究背景

可再生能源大规模并网推动储能需求持续扩容，水系锌金属电池凭借高安全、低成本、绿色无污染的优势，是锂电池极具竞争力的新型储能替代体系。但锌金属负极存在析氢副反应、枝晶生长、绝缘副产物堆积等界面缺陷，导致电池循环寿命与库仑效率不佳，严重阻碍商业化落地。现有原位SEI界面普遍存在离子传导能力弱、自修复性差的问题，难以适配高电流、高面容量、安时级电芯等实际工况。多孔有机笼材料结构可控、孔隙优异，适配界面改性需求，但其在原位SEI构筑中的应用研究仍较为欠缺，亟需新型界面调控策略，助力水系锌金属电池实用化发展。

内容简介

大连化物所陈忠伟院士/窦浩桢&东北林大窦烁等人提出了一种通过多孔有机笼(POCs)自组装原位构建具有选择性Zn²⁺传导通道和动态自修复能力的松散选择性界面(LSI)，以解决水系锌金属电池(AZMBs)的界面问题。LSI通过POC-POC氢键与POC-离子配位作用的平衡，实现高Zn²⁺迁移数(0.8)、快速去溶剂化动力学和均匀电场分布，抑制锌枝晶生长和副反应。结果显示，Zn//Zn对称电池在50 mA cm⁻²下循环超3200次，Zn//NVO全电池在10 A g⁻¹下循环超10,000次，Ah级软包电池初始容量1 Ah且循环稳定237次，为实用化AZMBs提供新策略。

图文导读

I 高选择性界面膜设计理念与优势

如图1所示，在传统水系锌离子电池电解液中，锌负极的副反应与枝晶生长问题，始终是制约其规模化落地的核心难题，且传统界面防护结构损耗快、稳定性不足，难以适配实际工况。针对以上技术痛点，本研究创新性引入新型多孔有机笼(POC)分子添加剂，在锌负极表面原位构筑出疏松多孔的高离子选择性界面膜。该界面可实现锌离子的高效选择性传输，同时具备动态自修复性能，既能有效抑制界面副反应发生，又能引导锌离子均匀沉积、从源头上抑制枝晶生长。依托该界面改性策略，电池可在50 mA cm⁻²超高电流密度、7.25 mAh cm⁻²高面容量的严苛条件下稳定循环，同时成功实现Ah级软包电池超1 Ah的有效放电容量，为推动水系锌金属电池的产业化落地提供了新的技术路径。

图1. a 传统构筑SEI在大电流下存在破裂和脱落问题。b POC衍生的高选择性界面具有疏松的多孔结构、丰富的选择性锌离子传导通道和动态自愈能力。c 高选择性界面的形成机理和其对抑制副反应和枝晶生长的调节机制。d 高选择性界面膜实现的卓越电池性能。

II 高选择界面膜形貌与化学组成

本研究将不同浓度的多孔有机笼POC分子，均匀分散至2M硫酸锌基础电解液中，构筑出性能优异的胶体复合电解液体系。测试结果证实，即便将POC掺杂浓度提升至20 mg mL⁻¹，改性电解液依旧可以维持优异的离子导电性能。借助多种先进的表征手段可以发现，POC分子可通过与锌离子发生配位作用，在锌负极表面自主组装形成厚度约334.6 nm的疏松多孔界面薄膜。该功能界面元素分布均匀，既构建了充足的锌离子快速传输通道，又可有效调控电解液水分子氢键结构、削弱水分子活性，从源头抑制电池界面副反应的发生。值得注意的是，POC改性策略不会破坏锌离子本征溶剂化结构，电池综合性能的大幅提升，完全得益于原位构筑的自适应防护界面，为高稳定性水系锌电池的商业化应用筑牢了技术根基。

图2. a 纯水溶液中POC自组装膜的透射电子显微镜(TEM)图像。b 在ZS-POC电解液中形成的高选择性界面膜TEM图像。c 自组装POC薄膜和LSI的聚焦离子束-扫描电子显微镜(FIB-SEM)图像和EDS图谱。d 在ZS-POC电解液中浸泡7天后，用飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)方法绘制了锌阳极上LSI的三维图谱，并由此得到了C、N、O、Zn和Zn(OH)2的空间分布。e-f 界面膜的X射线光电子能谱(XPS) (e) C1S (f) N1S。g ZS-POC电解液的核磁共振谱。h ZS-POC电解液的FTIR光谱。I 拉曼光谱揭示ZS和ZS-POC电解液中的氢键网络。

III 高选择性界面膜成机理

结合密度泛函理论(DFT)计算，深度揭示了POC添加剂原位构筑高选择性界面膜的内在作用机制。计算结果表明，POC分子在锌负极表面的吸附能远超水分子，达到后者的7倍以上，能够优先从电解液中迁移并均匀包覆电极表面。依托氢键作用与离子配位效应的精准协同，POC分子可自发组装为疏松多孔的功能界面膜，既搭建起高效的锌离子传输通路，又可重构电解液氢键体系、有效钝化水分子活性。与此同时，相较于水分子，POC与锌离子具备更强的结合能力，可精准识别并锚定锌离子，规整锌离子沉积行为，从根本上抑制锌枝晶的滋生与生长，实现锌负极界面的长效稳定。

图3. a H₂O和POC(两种不同的分子排列)在Zn(002)晶面上的优化吸附模式。颜色代码：紫色O、白色H、薄荷绿C、橙红色N和灰色金属锌。b 水和POC在锌负极的吸附能。c 锌金属负极上POC的电荷密度差分布和相应的切片二维等高线图。d, e POC-H₂O和POC-POC的ESP电势分布和结合能。f, g 不同相互作用位置的POC-Zn²⁺的ESP电势分布和结合能。h, i 不同作用w位置的POC-SO₄²⁻的ESP电势分布和结合能。

IV 锌离子界面扩散与脱溶剂化动力学调控

结合多维度实验表征与仿真模拟，验证了POC衍生高选择性界面膜的优异改性效果。该新型界面可有效调控电极双电层结构，赋予界面动态自修复特性，同时大幅优化锌离子传输动力学：成功将锌离子迁移数由0.26提升至0.8，显著降低离子脱溶能垒，大幅加快界面反应速率。此外，均匀的界面电场与离子浓度分布，可彻底消除电极表面尖端富集效应，从源头规避不均匀沉积问题。测试数据表明，改性界面可将电池表观活化能降低13.1 kJ·moL⁻¹，锌离子扩散能垒仅为0.62 eV，保障锌离子在高倍率、高面容量的严苛工况下依旧均匀沉积。COMSOL仿真模拟也进一步印证，POC功能界面能够实现锌离子快速、均匀的补给分布，让水系锌电池在极端工作条件下，依旧维持优异的电化学可逆稳定性。

图4. a ZS和ZS-POC电解质的电容曲线。b ZS和ZS-POC电解质CA曲线。c POC晶格结构中溶剂化Zn²⁺迁移路径。d ZS和ZS-POC电解质中的Zn²⁺迁移数。e ZS和ZS-POC电解液的活化能。f ZS和ZS-POC电解液中水合Zn²⁺的去溶剂化能垒。g 不同水合度的Zn²⁺的去溶剂化模型。h, i ZS和ZS-POC电解液中Zn金属负极镀锌过程中的模拟电场分布和Zn²⁺浓度场分布。

V 高选择性界面膜实现无枝晶锌沉积

通过原位、非原位相结合，充分证实了POC高选择性界面膜对锌负极的稳定优化效果。长效循环测试结果表明，在0.5 mA cm⁻²电流密度下完成100次循环后，修饰后的锌负极依旧保持平整致密的表面形貌，无明显的枝晶滋生与腐蚀缺陷；即便经过14天长期电解液浸泡，电极表面仍未出现析氢现象与副产物堆积，反观纯锌负极对照组已发生严重腐蚀失效。电化学测试数据进一步证明，POC功能界面可使锌负极腐蚀电位正向偏移5.02 mV，显著提升析氢过电位。同时，该界面将表面接触角提升至108.7°，有效增强电极疏水性能，并通过精准调控电解液环境、抑制水分子活性，从根本上杜绝界面副反应的发生。结合理论计算与实验表征结果可以明确，该改性界面能够引导锌离子沿稳定的(002)晶面定向择优沉积，优化锌负极沉积形貌，大幅提升电池循环稳定性与服役寿命。

图5. a、b 在10圈、30圈和100圈的电镀/剥离循环后，ZS和ZS-POC电解液中的锌金属负极SEM图。c 锌金属负极在ZS和ZS-POC电解液中循环30次后的FIB-SEM图像。d 锌金属负极在ZS和ZS-POC电解液中浸泡7天后的XRD图谱，插图为Zn阳极浸泡7天后实验的光学图像。e、f 在ZS和ZS-POC电解液中镀Zn²⁺时锌金属负极的原位光学显微镜图像。g 在ZS-POC电解液中电镀Zn²⁺过程中锌金属负极的原位XRD图谱。h 电镀60分钟后ZS-POC电解液中锌金属负极的CLSM 2D图像。i-k ZS和ZS-POC电解液中锌金属负极的XRD图谱以及不同电镀时间对应的Zn(002)/(101)晶面比。

VI 高选择性界面膜抑制析氢与副产物生成

通过系统的界面化学表征与交流阻抗测试，进一步验证了POC高选择性界面膜优异的长效稳定性能。电化学循环过程中，POC构筑的高选择性界面膜可维持无定形与结晶相协同的稳定结构，大幅削减锌负极界面的副产物生成量，界面硫元素残留含量仅为纯电解液对照组的1/5。TOF-SIMS表征成像结果直观证明，改性界面各元素分布均匀、结构规整，不存在局部副产物富集的问题。原位交流阻抗测试数据也显示，搭载POC界面的电池电荷转移电阻仅在初期小幅上升，后续始终保持稳定状态；反观对照组电池的界面电阻持续波动、稳定性极差。多项测试结果相互佐证，充分说明POC功能界面可高效抑制界面副反应与锌负极腐蚀问题，实现锌电极的高可逆稳定循环。

图6. a、b 在ZS和ZS-POC电解液中循环的锌金属负极的HRTEM图像。c 在ZS-POC电解液中循环锌金属负极Zn2p、S2p和C1sd的XPS光谱。d 在ZS电解液中循环锌金属负极Zn2p和S2p的XPS光谱。e 在ZS-POC和ZS电解液中循环30圈后，锌金属负极的TOF-SIMS 3D绘图，显示Zn、O、S、C和N的空间分布。f 使用ZS和ZS-POC电解液的Zn//Zn对称电池的原位EIS曲线。

VII 卓越的电池性能

通过系统性电池性能测试，全面验证了POC电解液添加剂的优异改性优势。实验结果表明，在最优10 mg mL⁻¹掺杂浓度下，锌-锌对称电池可在0.5 mA cm⁻²工况下稳定循环超4620小时，即便提升至50 mA cm⁻²超高电流密度，依旧保持平稳的运行状态；锌-铜半电池更是实现99.93%的超高库仑效率，稳定循环时长突破1200小时。值得一提的是，POC改性体系赋予电池独特的界面自修复特性：针对已出现枝晶缺陷、性能失效的电池，更换POC改性电解液后，电池可快速恢复稳定工作状态，持续长效循环超2000小时。在全电池与实用化电芯测试中，锌-NVO全电池在10 A g⁻¹大电流密度下，可平稳循环超10000次，容量保持率稳定维持在99%以上；适配实际储能场景的安时级软包电池，在7.25 mAh cm⁻²高面容量严苛工况下可稳定循环237次以上，稳定输出超1 Ah放电容量。一系列优异的电化学与实用化性能，充分彰显了POC界面调控策略的应用价值。

图7. a-c 使用ZS和ZS-POC电解质对Zn//Zn对称电池进行恒电流电镀/剥离，电流为0.5 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²，10 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²，25 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²。d 使用ZS和ZS-POC电解质的Zn//Cu电池在0.5 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²下的CE。e Zn//Zn对称电池在ZS电解液中和短路后在ZS-POC电解液中重构的循环性能。f Zn//Zn对称电池在重复静息循环测试下的循环性能。g 使用ZS和ZS-POC电解质的Zn//NVO全电池在10 A g⁻¹下的循环性能。h 质量负载为23.45 mg cm⁻²、电流密度为0.5 A g⁻¹的Zn//NVO电池的长期循环稳定性。i 使用ZS-POC电解质组装的Zn//NVO软包电池在0.5 A g⁻¹下的循环性能。

VIII 总结

本研究创新利用笼状有机分子(POC)的自组装特性，在锌负极表面原位构筑出兼具离子高选择性传输与动态自修复功能的自适应高选择性界面膜。实验表征与理论计算结果协同验证，该高选择性界面膜可精准调控电极双电层结构，将锌离子迁移数大幅提升至0.8，有效加速离子脱溶化动力学，均匀化界面电场分布，诱导锌离子沿稳定的(002)晶面有序沉积，杜绝枝晶滋生问题。与此同时，POC衍生的高选择性界面膜可显著提升电极表面疏水性、约束水分子活性，从源头抑制析氢、腐蚀等各类界面副反应，优化锌金属负极工作环境。优异的电化学性能充分印证了该策略的实用性：改性对称电池可在50 mA cm⁻²超高电流密度下稳定循环超3200次；锌-NVO全电池在10 A g⁻¹大倍率工况下，稳定循环寿命突破10000次；适配产业化场景的安时级软包电池，在7.25 mAh cm⁻²高面容量严苛条件下，可稳定循环237次以上，持续输出超1 Ah容量。该工作不仅建立了一套利用多孔功能材料构筑高离子选择、高稳定电极界面的通用策略，也为高性能、长寿命水系锌储能电池的应用提供了全新的研发思路。

作者简介

陈忠伟
本文通讯作者

中国科学院大连化学物理研究所研究员

▍主要研究领域

燃料电池，锂离子电池，钠离子电池、锌-空电池，锌离子电池，锂硫电池等下一代动力与储能电池的研究和产业化。

▍主要研究成果

加拿大皇家科学院院士、工程院院士，能源催化转化全国重点实验室主任、中国科学院大连化学物理研究所动力电池与系统研究部(DNL29)部长、加拿大皇家科学院委员会委员、国际电化学能源科学院(IAOEES)副主席，中国化学会旗舰期刊Renewables主编，Royal Society of Chemistry -Energy Environ. Book Series主编。陈忠伟院士2018-2023年连续六年被科睿唯安评为“全球高被引学者”，荣获：国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP 100000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家(Tier I)、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项。以第一作者和通讯作者身份，在Nat. Energy、Nat. Nanotechnol.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Joule、Matter、Chem、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等国际重要学术刊物上发表论文500余篇，被引64000余次，H因子达128，另外，编著3部，申请/授权美国、中国和国际专利100余项，多项成果实现产业化转化和应用。

研究部网站：http://battery.dicp.ac.cn/

▍Email：zwchen@dicp.ac.cn

窦浩桢
本文通讯作者

中国科学院大连化学物理研究所研究员

▍主要研究领域

水系锌基储能技术的基础研究与工程开发。

▍主要研究成果

中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，入选中国科学院专项人才计划、辽宁省优秀青年计划和兴辽英才计划，大连化物所“张大煜青年学者”。主要致力于水系锌基储能技术的基础研究与工程开发，包括：(1)高性能膜材料开发与传质过程强化；(2)宽温域电解液设计与界面动态解析；(3)固态电解质构筑与柔性器件研制。在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Nano-micro Lett.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际知名期刊发表学术论文100余篇，其中第一/通讯作者论文共30余篇，论文引用8000余次，H因子为48，申请发明专利30余项。主持中国科学院战略性先导专项B类项目课题、国家自然科学基金、榆林中科洁净能源创新研究院能源革命科技专项和加拿大政府产学研Mitacs项目。

研究团队长期招收水系电池方向的研究人员、博士后和联合培养博士生，简历可发送：haozhen@dicp.ac.cn。

▍Email：haozhen@dicp.ac.cn

窦烁

本文通讯作者

东北林业大学教授

▍主要研究领域

木质纤维素电化学催化转化与利用。

▍主要研究成果

东北林业大学三级教授，博士生导师。2017年博士毕业于湖南大学，随后加入南洋理工大学从事博士后研究工作。国家高层次人才计划青年项目入选者。主要从事林木生物质的电化学精练及高值利用方向研究。共发表SCI论文70余篇，包括：Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Fun. Mater.、Nano-micro Lett.等，论文总被引1.3万余次，H指数46，2023~2025年“科睿唯安”全球高被引学者。

▍Email：doushuo@nefu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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