有序锌电沉积：从单晶单元到SEI调控下的多晶堆叠实现超长寿命锌负极

锌金属电池因枝晶生长和副反应导致循环寿命短。中科院团队通过设计有机/无机双相固体电解质界面(d-SEI)，实现从单晶单元到多晶堆叠的有序锌沉积。该研究使Zn||Zn对称电池循环超过5600小时，在-30°C下Zn||I2全电池容量达201.9 mAh g-1，为金属负极界面工程提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型，水系锌金属电池(AZMBs)因其高安全性、低成本和环境友好等优势成为储能领域的研究热点。然而，锌负极面临的枝晶生长、析氢反应(HER)和金属腐蚀等问题严重制约其实际应用。传统研究多聚焦于电解液改性或基底设计，但对固体电解质界面(SEI)在调控锌沉积晶体结构中的作用机制认识不足。

中国科学院团队在《Nature Communications》发表研究，通过设计含三(2-氰乙基)膦(TCEP)添加剂的电解液，构建了具有有机/无机双相结构的d-SEI。该界面具有适宜离子传输动力学和热力学稳定性，首次实现了从单晶单元到多晶堆叠的有序锌电沉积过程。研究采用密度泛函理论(DFT)计算、原位差分电化学质谱(DEMS)、飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)等先进表征技术，结合高分辨透射电镜(HRTEM)和同步辐射X射线衍射分析，系统揭示了SEI调控锌晶体生长的机制。

在"d-SEI的原位形成"部分，研究发现TCEP分子优先吸附在双电层内层，与Zn²⁺形成网状配位结构，并促进三氟甲磺酸锌(Zn(OTF)₂)分解生成ZnF₂。XPS深度剖析显示d-SEI具有梯度分布的有机(C₃N^-、CF_{3^-)和无机(ZnF^-、PO2^-)组分，界面离子传输活化能达34.58 kJ mol^-1，有效抑制了副反应。}

"d-SEI内的单晶沉积"研究表明，d-SEI使锌成核过电位升高至-112 mV，临界晶核尺寸减小。HRTEM观察到厚度3.3 nm的d-SEI下形成(002)晶面间距0.247 nm的完美单晶，选区电子衍射(SAED)呈现[0001]_zn晶带轴的明锐斑点。相比之下，常规电解液中的锌沉积呈现多晶/非晶混合结构。

"d-SEI诱导的多晶堆叠"部分发现，随着沉积容量增加，单晶锌单元通过面-面接触形成致密多晶堆叠。纳米红外光谱显示多面体棱边富集P=O基团，而面心分布有机组分。这种特殊分布使多晶锌沉积的弹性模量达70 GPa，硬度3.37 GPa，比常规沉积高25-62倍。

该研究实现了多项突破：Zn||Zn对称电池在85%放电深度(DOD)下循环超过5600小时；Zn||I₂软包电池在负/正极容量比(N/P)1.5时循环113次，质量能量密度达122.1 Wh kg^-1。这项工作不仅阐明了SEI对金属电沉积晶体结构的调控机制，更为其他金属电池的界面设计提供了普适性策略。通过精确控制SEI的组成和结构，实现了从单晶成核到多晶组装的跨尺度调控，为高能量密度、长寿命金属电池的开发开辟了新途径。