锌金属负极容易出现有害的枝晶生长和副反应，从而限制了水系锌离子电池的使用寿命。
2024年11月5日，首都师范大学宋卫星教授团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“A Synergistic Zincophilic and Hydrophobic Supramolecule Shielding Layer for Actualizing Long-Term Zinc-Ion Batteries”的研究论文，团队成员陶景晨为论文第一作者，宋卫星教授为论文通讯作者。
该研究采用一种易于制备的超分子—二甲氧基柱[5]杯芳烃（DP[5]），作为屏蔽层来稳定锌负极。DP[5]的稳定效果得益于─OCH3提供的亲锌性以及其疏水骨架提供的疏水性。DP[5]屏蔽层能够调控Zn2+的溶剂化鞘层结构，促进均匀的锌沉积。在对称电池和全电池中，DP[5]显著抑制了膨胀和枝晶的形成。DP[5]-Zn对称电池可以稳定循环5500小时，在DP[5]-Zn||Cu半电池中，经过2200次循环后，库仑效率达到99.76%。DP[5]-Zn||V2O5全电池在6000次循环后仍能保持92.03%的初始容量。由于DP[5]薄膜具有成本效益高且环保的特点，该材料有望为锌负极的实际应用铺平道路。
DOI：10.1002/aenm.202403662
该研究采用易于获得的超分子二甲氧基柱[5]杯芳烃（DP[5]）设计了一种屏蔽层。DP[5]-Zn2+与PVDF粘合剂的协同作用使屏蔽层能够牢固地附着在锌负极表面。其非极性对称结构中富疏水性甲氧基基团，有效降低了Zn2+的去溶剂化能，减少水分子进入内亥姆霍兹层（IHP），从而抑制了副反应的发生。由于DP[5]分子的疏水特性及其不溶于水，这一屏蔽层有效隔离了锌负极与水系电解液，显著降低了腐蚀动力学。DP[5]中的含氧基团表现出亲锌性，能够促进Zn2+的吸附通量。非导电的DP[5]允许锌在界面层下沉积，从而有效地缓解锌沉积过程中的体积变化。因此，DP[5]-Zn对称电池在恒定电流密度1 mA cm−2和面容量1 mAh cm−2条件下，循环寿命延长至5500小时。DP[5]-Zn||V2O5全电池在电流密度为5 A g−1条件下循环6000次后，容量保持率仍达92.03%。
总之，该研究在锌负极上开发了DP[5]超分子界面层，从而为水系锌离子电池（AZIBs）提供了高度稳定的负极。通过利用DP[5]的官能团，所得的DP[5]涂层锌负极展现出亲锌性和疏水性特征。疏水骨架仅允许Zn2+通过，阻止了锌金属与电解液的直接接触，有效抑制了析氢反应（HER）。分子内腔和外链中的亲锌─OCH3基团和苯环通过协同吸附作用与Zn2+产生强相互作用，诱导均匀的锌沉积。研究结果表明，DP[5]-Zn对称电池在1 mA cm⁻²的电流密度下，其使用寿命延长至5500小时。此外，DP[5]-Zn||Cu电池在2200次循环后平均库仑效率（CE）仍具有99.76%，显著优于裸Zn||Cu电池。与裸Zn||V2O5相比，DP[5]-Zn||V2O5电池在6000次循环后具有更高的容量保持率，达到了92.03%。对DP[5]超分子等特殊材料的探索，有望推动高性能金属负极在水系二次电池中的应用。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
