磁控溅射超薄TiO2中间层实现水系锌离子电池的高可逆性研究

本文通过磁控溅射技术（magnetron sputtering）在锌（Zn）阳极表面构建超薄二氧化钛（TiO2）人工中间层，有效抑制了锌枝晶（Zn dendrites）、析氢反应（HER）和腐蚀等副反应。该中间层凭借其均匀多孔结构和物理屏障作用，显著提升了Zn||Zn对称电池的循环寿命至5100小时（5 mA/cm2），是裸锌阳极的51倍，同时使Zn||MnO2全电池在1000次循环后仍保持108.4 mA?h/g的可逆容量。研究为高性能水系锌离子电池（AZIBs）的设计提供了新思路。

　　

ABSTRACT

水系锌离子电池（AZIBs）因锌阳极界面副反应（如锌枝晶、析氢和腐蚀）面临严峻挑战。本研究采用磁控溅射技术在锌表面构建超薄TiO₂中间层（TO-Zn），其多孔结构通过物理屏障和离子通量调控双重机制抑制副反应。TO-Zn对称电池在5 mA/cm²下实现5100小时超长循环，Zn||MnO₂全电池1000次循环后容量保持率达108.4 mA?h/g。

1 Introduction

AZIBs因安全性高、成本低等优势成为锂离子电池的潜在替代品，但锌阳极的热力学不稳定性导致枝晶生长和副反应。现有策略如电解液添加剂和人工中间层存在工艺复杂或厚度不均等问题。磁控溅射技术制备的TiO₂中间层兼具化学惰性和结构稳定性，其纳米级孔隙（约5 nm）可均匀Zn²⁺通量，氧空位（XPS显示531.9 eV峰）促进Zn²⁺快速传输。

2 Result and Discussion

材料表征：SEM显示TO-Zn表面均匀多孔（图1C），接触角71.7°（裸锌90.5°），亲水性更优。XPS证实Ti⁴⁺ 2p_3/2（458.5 eV）和Ti⁴⁺ 2p_1/2（464.1 eV）键合状态（图2B），AFM测得厚度约32 nm（图2D）。

电化学性能：TO-Zn交换电流密度（15.1 mA/cm²）高于裸锌（12.8 mA/cm²），成核过电位降低至54.7 mV（裸锌80.9 mV）。Zn²⁺迁移数（t_Zn²⁺）提升至0.43（裸锌0.26），CA测试显示Zn²⁺三维扩散主导沉积过程（图3D）。

电池性能：TO-Zn对称电池在10 mA/cm²下循环450小时，电压滞后稳定；Zn||Cu电池库仑效率达99.9%（1300次循环）。Zn||MnO₂全电池中，TO-Zn使α-MnO₂阴极容量提升至262.2 mA?h/g（裸锌208.6 mA?h/g），EIS显示电荷转移阻抗（R_ct）显著降低（图5E）。

3 Conclusion

磁控溅射TiO₂中间层通过调控离子通量和抑制副反应，为AZIBs的高性能化提供了工艺简单、成本可控的解决方案。该策略对推动大规模储能应用具有重要参考价值。

（注：全文数据及结论均源自原文，未添加主观推断。）