水系鋅電池因其具有成本效益和安全電力存儲(chǔ)的潛力而引起了人們的興趣。然而，金屬鋅在水系電解液中僅表現(xiàn)出中等的可逆性。

在此，美國(guó)康奈爾大學(xué)Lynden A. Archer教授等人報(bào)道了一種在單電池內(nèi)Zn金屬負(fù)極上原位形成的動(dòng)態(tài)、納米厚的離子-低聚物界面，通過(guò)全面抑制不穩(wěn)定性（化學(xué)、形態(tài)和流體動(dòng)力學(xué)）提供了一種強(qiáng)大和通用的方法來(lái)抑制非平面鋅沉積。

研究表明，通過(guò)具有小Damkohler數(shù)（Da）的離子-低聚物界面能夠在水系電解液中以高達(dá)160?mA?cm^-2的電流密度實(shí)現(xiàn)高度可逆的Zn電極，這與極限電流密度（≈?100?mA cm^-2）處于同一數(shù)量級(jí)，比報(bào)道的水系Zn電極最高值高約4倍。通過(guò)設(shè)計(jì)Zn²⁺ -鹵化物離子-聚乙二醇（PEG）復(fù)合物，可逆界面離子-低聚物吸附可以滿足實(shí)驗(yàn)和理論要求。

小Da表明離子-低聚物吸附層可以有效調(diào)節(jié)界面離子運(yùn)動(dòng)，這種離子調(diào)節(jié)作用可以同時(shí)應(yīng)用于正負(fù)極兩側(cè)。石英晶體微天平、核磁共振和伏安法測(cè)量證實(shí)，該界面膜與電解液中溶解的低聚物存在動(dòng)態(tài)平衡。

圖1. 鋅負(fù)極和快速充電水系電池的恒電流循環(huán)行為

當(dāng)與轉(zhuǎn)換型正極（I₂、活性炭AC）配對(duì)時(shí)，該動(dòng)態(tài)離子低聚物復(fù)合物能夠在高活性材料利用率下使電池實(shí)現(xiàn)贗電容器般的壽命（> 12000次循環(huán)）。此外，采用20 μm薄鋅負(fù)極的快充軟包電池在56?mA?cm^-2的充電電流密度下可運(yùn)行超過(guò)100次循環(huán)。即使不努力優(yōu)化其性能，軟包電池的比能量也高達(dá)555?Wh?kg^-1_AC（151?Wh?kg^-1_Zn+AC），這說(shuō)明了離子低聚物電解質(zhì)概念的可擴(kuò)展性。

作者研究了 Zn||MnO₂水系電池作為擴(kuò)展案例，發(fā)現(xiàn)其在160?mA?cm^-2的充電電流密度下也實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1000次的長(zhǎng)期循環(huán)性能，這意味著該離子低聚物配合物在正負(fù)極兩側(cè)的通用性。作者還探索了將原位形成的離子-低聚物納米界面策略應(yīng)用于非水系電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)（如Li||I₂電池）的可能性，在40?mA?cm^-2的電流密度下證實(shí)了該電池的可逆運(yùn)行。

圖2. 不同化學(xué)成分的鋅電池正極的快速充電過(guò)程

Production of fast-charge Zn-based aqueous batteries via interfacial adsorption of ion-oligomer complexes, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29954-6