综述：二维层状过渡金属硫属化合物在水系锌离子电池中的表面与界面工程：基础、进展与展望

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Surface and interface engineering in two-dimensional layered transition metal dichalcogenides for aqueous zinc-ion batteries: Fundamentals, advances and perspectives

二维过渡金属二硫属化物（TMDs）因其层状结构、离子可逆插层能力及电子可调性成为 aqueous 锌离子电池（AZIBs）重要候选材料，但存在层间堆积、结构坍塌、氧化敏感及导电性差等问题。本文系统综述 TMDs 在 AZIBs 中作为正/负极及保护层的最新进展，重点探讨界面工程策略（如相调控、缺陷工程、掺杂改性、表面包覆等）对材料性能优化的作用机制，并分析技术瓶颈与发展前景。

　　

孙凌浩|肖成成|赵家帅|韩宇航|陈少伟|陈凌云

重庆大学化学与化学工程学院应用化学系，中国重庆401331

摘要

二维（2D）层状过渡金属硫属化合物（TMDs）由于其独特的层状结构、优异的离子嵌入能力和可调的电子性质，被认为是水基锌离子电池（AZIBs）的有希望的候选材料。然而，诸如层间堆叠、结构坍塌、易氧化以及导电性差等问题限制了它们的实际应用前景，因此需要在电极改性方面取得进一步突破。在这篇综述中，我们系统总结了2D TMD材料在AZIBs中的最新研究进展，从当前阴极、阳极和阳极保护层所面临的挑战和机制入手。我们重点介绍了一系列用于材料改性的界面工程策略，包括嵌入工程、相工程、杂化和掺杂工程、缺陷工程、表面涂层工程、原位电化学氧化工程以及晶面优化工程，这些策略已被提出并应用于解决上述挑战。最后，我们讨论了仍需解决的关键问题以及2D TMD材料在这一领域的潜在发展机遇，旨在促进水基锌离子电池技术的进一步发展。

引言

全球能源转型以绿色和可持续发展为目标，提高了高效储能的重要性。众所周知，电化学储能系统（包括可充电电池和电容器）是解决能源、环境和气候相关问题的关键工具[1,2]。这些系统有助于平滑可再生能源的间歇性特征，并在加速大规模利用可再生能源方面发挥着重要作用[[3], [4], [5], [6]]。商业系统涵盖了多种类型的电池，包括铅酸电池、镍铁电池、流动电池和锂离子电池[[7], [8], [9], [10]]。锂离子技术在当代市场中的主导地位归因于其优越的性能，如高能量密度、长循环寿命和较高的工作电压[[11], [12], [13]]。然而，随着对安全性、成本降低和环境兼容性的要求日益提高，传统锂离子电池越来越难以满足当前能源转型的需求[14,15]。这促使人们积极寻找替代化学体系[16,17]。

因此，基于钠（Na）、镁（Mg）、铝（Al）、钾（K）、铁（Fe）和锌（Zn）等元素的金属电池因其丰富的资源和低成本而受到越来越多的关注[18,19]。在这些金属中，锌与水基电解质的兼容性最好，这使得锌可以直接用作阳极，从而简化了电池配置和制造过程。此外，水基锌离子电池（AZIBs）通常可以在温和、低成本的水溶液中运行，避免了对高浓度电解质的依赖，而高浓度电解质会增加水基Li⁺/Na⁺/K⁺系统的成本和界面复杂性[20,21]。总体而言，AZIBs在大规模储能方面具有明显优势，包括水基电解质的安全性、二价锌离子（Zn²⁺的高充电存储能力以及经济环保的化学性质（图1）。尽管具有这些优势且AZIBs发展迅速，但氢演化反应（HER）、锌阳极腐蚀、枝晶生长、阴极材料的容量和稳定性不足以及水基电解质的电压窗口狭窄等问题仍然阻碍了其进一步发展[[22], [23], [24]]。成功克服这些挑战依赖于高性能电极材料的设计和有效的电极界面稳定策略，这对于AZIBs在大规模储能中的实际应用至关重要。

近期关于AZIBs的综述主要集中在钒氧化物、锰氧化物和聚阴离子框架等阴极化学体系上，而TMDs受到的关注相对较少[[25], [26], [27], [28], [29]]。2D TMDs在锌存储方面具有几个关键优势：可调的层间间距、良好的结构设计性、优异的电化学稳定性、大的比表面积、环境友好性和低成本。这些特性推动了近年来的快速发展（图2）。通过界面和结构工程，可以进一步优化MoS₂、TiS₂和VS₂等代表性体系，以克服固有的缺点并构建高性能电极。鉴于TMDs在电化学上的巨大潜力以及对AZIB技术的日益关注，对近期进展进行系统总结显得十分及时。现有的综述大多侧重于仅将TMDs作为阴极使用的多维结构[3,30]。相比之下，本文系统地概述了2D TMDs作为阴极材料、阳极材料及阳极保护层的应用，涵盖了它们的基本储能机制和各种界面优化策略。在此基础上，我们讨论了当前面临的挑战并指出了2D TMDs在实际AZIBs中应用的未来发展方向。

在这篇综述中，我们重点关注了2D层状TMDs在高性能阴极、阳极和阳极表面涂层中的界面工程策略。我们首先探讨了与电极功能相关的基本概念，包括结构特性、电化学储能机制和反应机制。然后讨论了多种材料改性策略，如相工程、缺陷工程、层间嵌入、原位电化学氧化、杂化和掺杂效应以及表面修饰。这些策略探索了实现高容量和高能量密度电极材料的潜在途径，并指出了未来的研究方向。最后，我们总结了2D层状TMDs在AZIBs应用中的优势，分析了该领域的障碍及未来发展方向。我们希望本文能为材料科学领域的研究人员或致力于进一步优化AZIBs的研究人员提供有价值的参考。

TMDs的基本组成

2D TMDs通常用化学式MX₂表示，其中金属中心M可选自多种过渡元素，包括钼（Mo）、钨（W）、铬（Cr）、钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）、钛（Ti）、镍（Ni）、锰（Mn）、铁（Fe）、钪（Sc）和锡（Sn）。在这个公式中，X代表硫属元素，最常见的是硫（S）、硒（Se）或碲（Te）[[39], [40], [41]]。如图3a所示，这类化合物包含超过五十种不同的晶体结构。

阴极材料的储能机制

TMDs中的层间相互作用主要由范德华力主导，这使得它们具有可调的层间间距、快速的离子扩散和优异的结构稳定性。典型的材料如MoS₂、TiS₂、VS₂和VSe₂分别具有合适的层间通道、金属级别的导电性或活性位点暴露，并在AZIBs中表现出优异的可逆Zn²⁺嵌入/脱嵌行为。

最近的研究表明，AZIBs具有...

阳极材料的储能机制

传统的锌金属阳极仍然受到严重的枝晶生长、自发腐蚀和低利用率的影响，这些因素降低了其长期稳定性并限制了大规模应用（图14）[191,192]。这引发了人们对基于可逆Zn²⁺嵌入和脱嵌的阳极的兴趣，而不是金属沉积和剥离。虽然2D层状TMDs主要被研究作为阴极，但它们的层状结构和良好的机械...

锌阳极表面涂层的构建

在水基锌离子电池的背景下，在锌金属上使用人工界面已被证明是抑制枝晶和副反应的有效策略。裸露的锌容易发生不均匀沉积、氢气演化以及绝缘副产物的形成，这些都会消耗活性锌并破坏界面[225]。应用化学稳定、机械强度高且与电解质兼容的层（如聚合物、氧化物）...

总结与展望

本文综述了2D TMDs及其界面工程策略在AZIBs中的应用进展。系统分析了2D TMDs的基本结构和性质及其在不同电池组件中的应用。随着锌离子电池技术的不断进步，2D TMDs由于其独特的结构和出色的电化学性质，在提升电池性能和延长使用寿命方面显示出巨大潜力。

作者贡献声明

孙凌浩：撰写——原始稿件、验证、软件、方法论、研究、数据分析、数据管理。肖成成：数据分析、方法论、软件、验证。韩宇航：数据分析、方法论、软件、验证。赵家帅：数据分析、方法论、软件、验证。陈少伟：撰写——审稿与编辑、概念构思。陈凌云：撰写——审稿与编辑、监督、研究、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢以下机构的财政支持：国家自然科学基金（编号：21676036）、重庆市自然科学基金（编号：CSTB2023NSCQ-MSX0580）、康奈尔大学基础研究基金（编号：2024CDJQYJCYJ-001）以及重庆大学大型设备共享基金（编号：202503150091）。