摘要：柔性储能技术在柔性电子领域中至关重要，尤其是水系锌离子电池（AZIBs），因其安全性高、锌资源丰富、理论容量大且成本低，成为柔性储能技术的热点。然而，在面对柔性应用场景时，锌金属负极（ZMAs）容易在反复的沉积/溶解过程中生长枝晶或产生副反应，这不仅影响电池的

【研究背景】

柔性储能技术在柔性电子领域中至关重要，尤其是水系锌离子电池（AZIBs），因其安全性高、锌资源丰富、理论容量大且成本低，成为柔性储能技术的热点。然而，在面对柔性应用场景时，锌金属负极（ZMAs）容易在反复的沉积/溶解过程中生长枝晶或产生副反应，这不仅影响电池的稳定性和可逆性，还可能导致电池失效。为了解决这一问题，研究人员采用了包括界面改性、电解液优化、晶体结构调控等多种方法。特别是界面改性，通过在锌金属表面构建保护层，有效抑制枝晶生长，是提高锌负极稳定性和可逆性的有效途径。但在柔性状态下，如何调节锌的沉积行为仍然是一个未完全解决的问题。

【成果简介】

近日，南京邮电大学的马延文教授、赵进教授和陈剑宇副教授团队，联合阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的王翌州博士后研究员，设计了一种坚固的界面膜（RIL），有效稳定了柔性水系锌离子电池中的锌金属负极。RIL界面膜能够捕获锌离子，并在锌金属表面形成均匀的离子通道，有效抑制锌枝晶的生长。同时，RIL薄膜的高机械强度能够缓解电极弯曲时产生的应力，防止枝晶生长，促使锌均匀沉积，从而提高锌基电池的稳定性和可逆性。研究表明，采用RIL膜的锌负极在半电池、对称电池和全电池中展现出了优异的电化学性能，尤其是在弯曲状态下，RIL/Zn | MnO2柔性软包电池也表现出了稳定的循环性能。这一研究为柔性水系锌离子电池的发展开辟了新前景，并为下一代可穿戴设备中的水系电池提供了实用解决方案。该成果已发表在中国领军期刊《Nano Research》上，题为“Stabilizing zinc anodes with robust interfacial layer at bending states toward flexible zinc batteries”。

【核心内容】

一、研究工作主要创新点

为了促进水系锌离子电池在柔性储能器件中的应用，团队设计的RIL界面膜能有效稳定在极端弯曲条件下的锌沉积。与裸锌负极的枝晶生长相比，RIL薄膜均匀化了锌离子的通量，减少了枝晶形成，甚至在极端弯曲（180°）的情况下，也能保持锌的均匀沉积（图1）。

图1. (a) 裸Zn和 (b) RIL/Zn负极在平面和弯曲状态下的锌负极沉积行为示意图。

二、材料制备及结构性质表征

RIL膜采用相转化法制备，具有大面积制备和厚度可调的优点。该膜具有良好的亲水性和较强的机械强度，能有效抑制副反应并促进锌的平面沉积。通过电化学测试和理论计算，研究人员证明RIL膜的磺酸基基团有助于诱导锌在（002）平面上优先沉积（图2）。

图2. (a) RIL制备过程示意图，(b) 大面积RIL数码照片，(c) RIL弯曲状态的SEM图像，(d) 磺化前后RIL的FTIR光谱，(e) RIL/Zn和裸Zn负极接触角测试，(f) RIL的拉伸试验，(g) 裸Zn和RIL在锌负极表面的吸附能比较，(h)裸Zn和RIL/Zn负极的对称电池的活化能Ea，(i) RIL/Zn和裸Zn负极的Tafel曲线，(j) 在2 M ZnSO4电解液中浸泡7天后，RIL/Zn和裸Zn负极的XRD谱图。

三、锌沉积行为及弯曲状态下应力与沉积过程的研究

在不同条件下，RIL薄膜和裸锌电极的锌沉积行为呈现显著差异。无论在平面还是弯曲状态下，RIL/Zn负极都表现出平稳均匀的锌沉积，而裸Zn则出现了枝晶生长。通过原位光学显微镜观察，RIL/Zn在弯曲状态下仍保持均匀沉积，而裸Zn表面则出现大量枝晶。（图3）。

图3. RIL/Zn和裸Zn负极表面锌沉积形貌的演变。沉积量为(a) 0.2, (b) 1和(c) 5 mAh cm-2的RIL/Zn电极表面的SEM图像沉积量为5 mAh cm-2的RIL/Zn (d)平面电极和(e)弯曲电极的SEM截面图，沉积量为(f) 0.2, (g) 1和(h) 5 mAh cm-2的裸Zn负极表面的SEM图像，沉积量为5 mAh cm-2的裸Zn (i) 平面电极和(j) 弯曲电极的SEM截面图，(k) 弯曲条件下的RIL/Zn和(l)裸Zn的原位光学显微镜，弯曲作用下(m) RIL/Zn和(n)裸Zn负极表面锌沉积形貌示意图，弯曲条件下(o) RIL/Zn和(p) 裸Zn电极表面初始应力分布的COMSOL模拟及(q) RIL/Zn和(r) 裸Zn负极电荷密度分布的COMSOL模拟。

四、RIL/Zn负极的电化学性能

研究人员通过组装Zn | Cu半电池和对称电池，验证了RIL对提高锌沉积稳定性和电池循环性能的作用。使用RIL界面膜的半电池表现出极高的库仑效率和长时间的稳定性。对称电池在长时间循环后仍保持低极化电压，并且在平面和弯曲状态下，RIL/Zn软包电池显示出优异的循环稳定性（图4）。

图4. RIL/Zn和裸Zn负极的电化学稳定性测试。(a) RIL/Zn和裸Zn半电池在2 mA cm-2和1 mAh cm-2下的库仑效率, (b) RIL/Zn半电池相应的充放电曲线， (c) RIL/Zn和裸Zn半电池在5 mA cm-2和1 mAh cm-2下的库仑效率, (d) RIL/Zn半电池相应的充放电曲线， (e) RIL/Zn和裸Zn扣式对称电池在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下的循环性能比较， (f) 对称电池循环200次后RIL/Zn和裸Zn的SEM图像及(g) 对应的XRD图谱， (h) RIL/Zn和裸Zn软包对称电池在5 mA cm-2和1 mAh cm-2下的循环性能比较， (i) RIL/Zn和裸Zn软包对称电池且弯折180°在5 mA cm-2和1 mAh cm-2下的循环性能比较。

为验证RIL/Zn负极的实际应用，研究团队组装了RIL/Zn | MnO2全电池，结果表明，RIL/Zn负极的电池表现出较小的极化，较高的比容量和更低的电化学阻抗。即使在弯曲状态下，RIL/Zn | MnO2全电池仍能稳定工作，证明了其在柔性可穿戴设备中的潜力。

图5. 全电池的电化学性能测试。(a) RIL/Zn | MnO2和裸Zn | MnO2全电池的循环伏安曲线，(b)在0.2 ~ 5 A g-1电流密度下的倍率性能，(c) RIL/Zn | MnO2全电池在0.2 ~ 5 A g-1电流密度下充放电曲线，(d) RIL/Zn | MnO2和裸Zn | MnO2全电池的电化学阻抗谱，(e) RIL/Zn | MnO2和(f) 裸Zn | MnO2全电池的自放电测试，(g) RIL/Zn和裸Zn扣式全电池在0.5 A g-1电流密度下的长循环性能比较，(h) RIL/Zn和裸Zn软包全电池且弯折180°在1 A g-1电流密度下的长循环性能比较，(i) RIL/Zn | MnO2软包全电池在不同弯曲角度下点亮计时器的数码照片及作为智能手表电源和表带的灵活可穿戴应用。

【结论展望】

该工作通过简便普适的方法巧妙地设计了一种坚固的界面层（RIL），用于稳定用于柔性储能装置的锌金属负极，RIL界面膜可以捕获锌离子并在锌金属负极表面构建均匀的离子通道，有效抑制锌枝晶生长。此外，RIL薄膜具有较强的机械强度，可以缓解金属电极弯曲过程中应力积累引起的枝晶生长，诱导锌均匀平面沉积，从而增强水系锌离子电池的稳定性和可逆性。RIL膜不仅改善了锌负极的沉积行为，还增强了电池的循环性能。该研究为柔性水系锌离子电池的进一步发展奠定了基础，并为未来可穿戴设备中水系电池的应用提供了可行的解决方案。

【文献详情】

Jianyu Chen, Yuwei Zhu, Fanlai Zhang, Yizhou Wang*, Wendi Xu, Yu Zhang, Li Shi, Xing Qiang, Yanwen Ma*, and Jin Zhao* “Stabilizing zinc anodes with robust interfacial layer at bending states toward flexible zinc batteries”

文章链接：Nano Research, 2025, 18, 94907224. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907224

来源：思享说科技