《Nano-Micro Letters》：Creation of an Artificial Layer for Boosting Zn2+ Mass Transfer and Anode Stability in Aqueous Zinc Metal Batteries
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本研究针对水系锌金属电池中锌阳极存在的枝晶生长和副反应等问题，设计了一种可生物降解的姜黄素基保护层。该层通过均匀溶液法制备，具有强粘附性、均匀覆盖性和机械完整性，能够有效调控Zn2+通量并抑制副反应。实验表明，保护后的锌阳极在对称电池中寿命延长至2500小时，库仑效率达99.15%，且在高电流密度下寿命提升40倍。与NaV3O8·1.5H2O阴极组装的电池在10 A g-1下循环3000次后容量保持率达86.5%。该研究为提升Zn(OTf)2基电池的商业化可行性提供了新策略。
随着全球对可持续能源存储需求的日益增长，水系锌金属电池（AZMBs）因其高安全性、环境友好性和锌资源丰富等优势成为研究热点。然而，锌阳极在实际应用中面临两大挑战：一是由水分子和离子失控行为引发的寄生反应（如析氢和腐蚀），二是锌枝晶的不均匀生长导致电池短路。这些问题严重限制了AZMBs的循环寿命和商业化进程。特别是在高电流密度下，常用的锌盐三氟甲磺酸锌（Zn(OTf)2）体系稳定性较差，进一步加剧了电池性能的衰减。
为应对这些挑战，香港理工大学的研究团队在《Nano-Micro Letters》上发表了一项创新研究，提出利用天然提取物姜黄素（curcumin）构建人工保护层，以提升锌阳极的稳定性和离子传输效率。姜黄素作为一种生物可降解材料，其分子结构中富含极性官能团，可通过简单的刮涂法形成均匀且强粘附的保护层。该设计巧妙利用了姜黄素与Zn(OTf)2电解液的亲和性，在保证保护效果的同时优化了离子传输路径。
研究团队通过溶液法制备姜黄素与聚偏氟乙烯（PVDF）的质量比为9:1的均质前驱体，采用刮涂技术控制保护层厚度为5微米（CUR-5）。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征证实了保护层的均匀性和化学稳定性。理论计算表明，姜黄素分子中的羰基（C=O）与Zn2+的结合能达-0.93 eV，远高于水分子（-0.6 eV），有效促进了Zn2+的脱溶剂化过程。此外，接触角测试显示保护层使电解液润湿角从84°降至67°，提升了界面亲和性。
电极表征
研究通过SEM和能量色散X射线分析（EDX）证实了保护层厚度约2微米，且元素分布均匀。XPS谱图显示姜黄素层保留了C=O、C-OH等关键官能团。DFT计算表明姜黄素在Zn(101)晶面的吸附能（-2.04 eV）显著优于水分子（-0.3 eV），说明其可有效隔离水分子并引导Zn2+均匀沉积。
动力学促进
交流伏安法测试显示，保护层使零电荷电位从0.28 V移至0.24 V，双电层电容从271.0降至235.6 μF cm-2。Arrhenius曲线分析表明，CUR@Zn的活化能（14.56 kJ mol-1）远低于裸锌阳极（38.57 kJ mol-1）。Zn2+迁移数从0.383提升至0.435，证实了界面离子传输的加速。
副反应抑制
线性极化曲线显示，保护层将腐蚀电流从1.098 mA cm-2降至0.15 mA cm-2，腐蚀电位正移7.05 mV。XRD和Raman光谱表明，裸锌阳极在电解液中浸泡100小时后出现ZnO和Zn(OH)2腐蚀产物峰，而CUR@Zn表面无变化。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示保护层使表面粗糙度从60微米降至21微米。
沉积行为
计时电流法（CA）测试中，CUR@Zn的电流信号在30秒内趋于稳定，而裸锌阳极持续波动。成核过电位从86.2 mV增至144.7 mV，表明保护层引导了更均匀的Zn2+成核。SEM图像显示，CUR@Zn循环后表面形成平整的片状锌沉积，而裸锌阳极出现高度100微米的枝晶。COMSOL模拟进一步证实保护层使Zn2+分布由各向异性转为均匀模式。
电池性能
在1 mA cm-2和5 mA cm-2的对称电池测试中，CUR@Zn的循环寿命分别超过2000小时和400小时，较裸锌提升40倍。Zn||Cu半电池库仑效率达99.15%，且在高深度放电（60% DoD）下稳定运行150小时。与NaV3O8·1.5H2O（NVO）阴极组装的电池在10 A g-1下循环3000次后容量保持率86.5%，显著优于对照组。
该研究通过构建姜黄素基人工保护层，实现了锌阳极界面环境的精准调控。保护层不仅通过物理屏障作用抑制了水分子引发的副反应，还利用其锌亲和性官能团促进了Zn2+的高效传输和均匀沉积。研究首次系统阐明了姜黄素在Zn(OTf)2电解液体系中的协同作用机制，为高稳定性水系锌电池的设计提供了新思路。该策略兼具材料可降解性和工艺简便性，有望推动AZMBs在规模化储能中的应用。
