采用亲锌聚对苯二甲酸乙二醇酯涂层对锌阳极进行界面改性，以实现高性能和超稳定的水系锌离子电池

《Journal of Colloid and Interface Science》：Interfacial engineering of Zn anodes with zincophilic polyethylene terephthalate coating for high-performance and ultra-stable aqueous zinc-ion batteries

水系锌离子电池负极采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）涂层技术，通过羰基官能团降低Zn2?解溶剂化能至1.39 eV，抑制枝晶形成和副反应，实现对称电池超3000小时循环稳定性，全电池1400次循环后容量保持93.7%。

　　这篇文章探讨了一种创新的锌基电池阴极改性方法，旨在提高其电化学性能与长期稳定性。锌离子电池因其固有的安全性、成本效益以及环境友好性，正逐渐成为大规模储能系统的有力候选者。然而，锌阴极在实际应用中面临诸多挑战，其中最突出的问题是锌枝晶的形成和副反应的发生。这些现象不仅降低了电池的循环寿命，还可能引发内部短路，从而对电池的安全性构成威胁。因此，开发有效的策略来抑制锌枝晶并减少副反应，是提升锌离子电池性能的关键所在。

为了应对上述问题，研究人员提出了一种采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）涂层的锌阴极改性方案，即Zn@PET阴极。该方法通过简单的熔融冷却工艺实现，能够在锌金属表面形成一层人工保护界面。PET涂层的引入，主要得益于其丰富的羰基基团，这些基团具有显著的锌亲和性，能够有效促进锌离子在电解液与阴极之间的迁移。通过调控锌离子的溶剂化结构，PET涂层能够降低锌离子的脱溶剂化能量，从而提高锌离子的传输效率，减少不均匀沉积，抑制枝晶的生长。

此外，PET涂层还展现出优异的抗腐蚀性能。锌金属本身具有较高的亲水性，容易在阴极与电解液的界面吸附水分子，进而引发一系列有害的副反应。PET涂层的高接触角和与锌金属的高结合能，有效减少了水分子在阴极表面的吸附，从而抑制了这些副反应的发生。同时，PET涂层还通过其对氢气的高吸附自由能（2.38 eV）和对硫酸根离子（SO?2?）的弱阴离子亲和力（-2.21 eV），防止了氢气的析出和硫酸根离子的吸附，进一步增强了阴极的稳定性。

在实际应用中，Zn@PET阴极表现出卓越的循环性能。实验数据显示，经过优化的对称电池在0.3 mA cm?2的电流密度下，能够稳定运行超过3000小时，而全电池在0.5 A g?1的电流密度下，经过1400次循环后仍能保持93.7%的容量。这些结果表明，PET涂层不仅能够改善锌离子的传输特性，还能显著提升电池的循环寿命和容量保持率。

从材料设计的角度来看，PET涂层的优势在于其多功能性和可调控性。首先，PET分子的构象特性（如gauche构象）使得其能够形成稳定的锌离子配位结构，从而调节锌离子的溶剂化状态。其次，PET对锌金属表面的亲和性，使得其能够优先占据阴极表面，形成有效的水阻隔层。这种水阻隔层不仅减少了水分子与锌金属的接触，还能够降低局部pH值的变化，防止因pH升高而导致的副反应加剧。此外，PET涂层的机械柔韧性使其能够适应阴极在充放电过程中产生的体积变化，从而避免涂层的脱落和电解液的渗透。

值得注意的是，PET涂层的引入并非简单的表面覆盖，而是通过精确的界面工程，实现了对锌离子沉积行为的调控。通过对锌金属不同晶面（如Zn(101)、Zn(100)和Zn(002)）的相互作用能进行分析，研究发现PET与Zn(101)表面的相互作用能较低（-1.05 eV），这使得Zn(101)晶面在沉积过程中更容易暴露，从而形成致密的锌沉积结构。这种选择性的晶面暴露，不仅有助于提高锌离子的沉积均匀性，还能够减少枝晶的形成，从而提升电池的循环稳定性。

在实际应用中，Zn@PET阴极的性能表现尤为突出。在与二氧化锰（MnO?）组成的全电池中，Zn@PET阴极的比容量达到了152.62 mAh g?1，且在1400次循环后仍能保持93.72%的容量。这一结果表明，PET涂层不仅能够有效抑制锌枝晶的形成，还能显著减少副反应的发生，从而提升电池的整体性能。相比之下，传统的无机涂层虽然在一定程度上能够抑制锌枝晶，但其亲水性较高，容易引发水诱导的副反应，同时机械性能较差，难以适应充放电过程中产生的体积变化，导致涂层脱落和电解液渗透，进一步影响电池的稳定性。

此外，PET涂层的引入还为锌离子电池的进一步发展提供了新的思路。传统上，锌离子电池的阴极改性往往需要复杂的工艺和昂贵的材料，而PET作为一种常见的高分子材料，不仅成本低廉，还具有良好的化学稳定性和机械性能。因此，采用PET涂层的阴极改性方案，不仅能够满足高性能锌离子电池的需求，还具备较高的经济可行性，为大规模应用提供了可能。

从应用前景来看，Zn@PET阴极改性方案有望在多个领域得到推广。例如，在电动汽车、可再生能源存储以及智能电网等需要高能量密度和长循环寿命的储能系统中，PET涂层能够有效提升锌离子电池的性能。同时，该技术还可以应用于其他类型的水系电池，如钠离子电池和钾离子电池，为这些电池体系的优化提供借鉴。

总之，这项研究通过引入锌亲和性的PET涂层，成功解决了锌离子电池阴极面临的主要问题。PET涂层的多功能性使其能够在多个层面提升电池的性能，包括促进锌离子的均匀沉积、抑制枝晶的形成以及减少副反应的发生。实验结果表明，Zn@PET阴极不仅在电化学性能上表现出色，还具备良好的循环稳定性，为锌离子电池的商业化应用奠定了坚实的基础。未来，随着材料科学和电池技术的不断发展，类似的界面工程策略有望进一步优化，推动锌离子电池向更高性能、更低成本的方向发展。