由于具有安全性高、成本低、能量密度/功率密度高、环境友好等优点，水系锌离子电池在新型可充电电池中极具竞争力。然而，锌金属负极面临无序的枝晶生长和严重的界面寄生反应（锌金属腐蚀和析氢），严重阻碍了电池的循环寿命。通过有机-无机复合材料保护锌负极是一种有效的策略，但较厚的有机疏水层导致离子传输缓慢，限制了锌离子在固态电解质界面（SEI）的扩散，严重降低了锌负极的利用率和可逆性。因此，保持快速锌离子沉积的同时实现无枝晶锌负极成为当前研究的热点和难点。
我院刘明贤教授团队近期设计了一种以全氟磺酸树脂 (Nafion) 为添加剂的新型电解液，其在锌负极上具有低吸附能（−2.09eV），在首次充电过程中原位形成Nafion纳米膜。这种具有亲锌基团（−SO3−）的超薄SEI即使在高电流密度下也能引导锌离子沿着成核能量更低的锌（002）晶面沉积，显著提高了锌离子沉积/剥离效率，获得无枝晶锌负极及长寿命锌离子电池。相关成果以“In-situ Nafion-nanofilm oriented (002) Zn electrodeposition for long-term zinc-ion batteries”为题发表于国际化学领域知名期刊《化学科学》(Chemical Science)，并被遴选为期刊后封面文章（Back Cover）。封面以中国寓言故事“愚公移山”为背景，以太行、王屋二山代表锌负极在循环过程中的枝晶生长和寄生反应，移山过程代表Nafion纳米膜引导锌（002）晶面定向沉积实现长寿命锌离子电池。
实验和理论计算表明，Nafion纳米膜引导锌离子沿着(002) 晶面沉积，减少了锌负极的产氢和腐蚀。
原位红外光谱和原位景深显微镜表征结果证明了在电极/电解液界面加速的锌离子去溶剂化过程提升了锌离子在负极的沉积/剥离效率。
扫描探针显微镜和COMSOL物理场模拟证明，经过Nafion纳米膜修饰的锌负极具有更低的界面平均电势，从而防止锌离子优先沉积在尖端区域，形成更致密的SEI。
电化学研究表明，Nafion调控了锌离子的沉积趋势，提高了锌离子在电极/电解液界面的沉积/剥离效率，无论是对称电池还是全电池都表现出优异的循环稳定性。这项研究工作为设计无枝晶锌离子电池提供了新方法。
上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助。刘明贤教授为论文通讯作者，博士生张达为论文第一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D3SC06935D
