摘要：水系锌离子电池(Aqueous Zinc-Ion Batteries - AZIBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、低氧化还原电位(-0.76 V vs SHE)、低成本、环境友好和本征安全性，被认为是大规模储能系统的理想候选者。然而，锌负极的枝晶

研究背景

水系锌离子电池(Aqueous Zinc-Ion Batteries - AZIBs)因其高理论容量(820 mAh g⁻¹)、低氧化还原电位(-0.76 V vs SHE)、低成本、环境友好和本征安全性，被认为是大规模储能系统的理想候选者。然而，锌负极的枝晶生长和副反应(如析氢反应)严重限制了其实际应用。枝晶生长会导致电池短路，而副反应则会消耗活性材料并加速电极腐蚀，进而降低电池的循环寿命和性能。尽管通过电解质改性和负极工程等手段已取得了一定进展，但如何同时抑制枝晶生长和副反应仍是一个巨大的挑战。

研究内容

北京化工大学刘勇教授团队通过静电纺丝、热处理和原位生长技术，成功制备了具有分级空心结构和表面凹槽的Bi-Bi₂O₃@碳纳米纤维(Bi-Bi₂O₃@CNF)负极材料。该材料通过“空间效应”和“静电限域效应”的协同作用，实现了均匀的锌沉积，有效抑制了枝晶生长和副反应。实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，Bi-Bi₂O₃@CNF的高比表面积和纤维网络结构增强了电子传输和电解质分布，降低了欧姆电阻和浓度极化。此外，原位生长的Bi-Bi₂O₃、吡啶氮、吡咯氮和C—O—Bi键诱导了强锌亲和性和电负性，进一步增强了锌沉积的均匀性。与纯锌负极相比，Bi-Bi₂O₃@CNF将极化过电位降低了17.6%，析氢过电位提高了11.52%，并在200小时内保持了98.8%的库仑效率。在全电池测试中，Zn@Bi-Bi₂O₃@CNF//MnO₂在1000 mA g⁻¹下经过1000次循环后，容量保持率达到73.0%。该研究为高效、耐用且安全的水系锌离子电池提供了一种有前景的策略，并为先进水系储能材料的设计提供了宝贵的见解。

研究亮点

⭐分级空心结构与表面凹槽：Bi-Bi₂O₃@CNF具有独特的分级空心结构和表面凹槽，提供了高比表面积和多向电子/电解质传输路径，促进了均匀的锌沉积。

⭐空间与静电双重限域效应：Bi-Bi₂O₃@CNF通过“空间效应”和“静电限域效应”的协同作用，有效抑制了锌枝晶的生长和副反应，显著提高了电池的循环稳定性。

⭐高库仑效率与长循环寿命：Bi-Bi₂O₃@CNF在200小时内保持了98.8%的库仑效率，并在全电池测试中表现出优异的循环稳定性，1000次循环后容量保持率达到73.0%。

⭐ DFT计算验证锌亲和性：DFT计算表明，Bi和Bi₂O₃对锌具有强亲和性，结合能分别为-0.428 eV和-1.418 eV，进一步验证了其均匀锌沉积的机制。

图1. TOC

图2. Bi-Bi₂O₃@CNF的结构表征：(A)X射线衍射(XRD)图，(B)透射电子显微镜(TEM)图像，(C)高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像，(D)X射线光电子能谱(XPS)全谱图，(E)XPS C1s谱图，(F)XPS N1s谱图，(G)XPS O1s谱图，(H)XPS Bi4f谱图，(I)拉曼光谱，(J)傅里叶变换红外光谱(FTIR)图。

图3. Zn@Bi-Bi₂O₃@CNF//MnO₂和Zn//MnO₂全电池的电化学性能：(A)在1000 mA·g⁻¹下的恒流充放电循环曲线；(B)在200 mA·g⁻¹下的恒流充放电循环曲线；(C)第100次循环的电压-容量曲线；(D)不同电流密度下的倍率性能。

研究结论

本研究通过静电纺丝、热处理和原位生长技术成功制备了具有分级空心结构和表面凹槽的Bi-Bi₂O₃@CNF负极材料。该材料通过“空间效应”和“静电限域效应”的协同作用，实现了均匀的锌沉积，有效抑制了枝晶生长和副反应。实验和DFT计算表明，Bi-Bi₂O₃@CNF具有高比表面积、优异的电子传输性能和强锌亲和性，显著提高了水系锌离子电池的循环稳定性和库仑效率。该研究为高性能水系锌离子电池的设计提供了新的思路，并为未来大规模储能系统的开发奠定了基础。

文献信息

Jinqiu Ye, Tiancheng Ge, Xin Qu, Mohamedazeem M. Mohideen, Ce Wang, Ping Hu, and Yong Liu*, Advanced Functional Materials, 2025, DOI: 10.1002/adfm.202425358.

来源：白兔讲科学