锌离子电池（ZIBs）中使用的固态聚合物电解质（SPEs）由于聚合物链段动力学的迟缓，表现出较低的离子电导率。因此，仅支持阳离子的短距离移动，导致离子电导率和Zn2+迁移数（tZn2+）较低。锌基超分子晶体（ZMCs）在支持长距离Zn2+传输方面具有巨大潜力，然而其在ZIBs中的效率尚未得到探究。
2024年11月4日，香港城市大学支春义团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Supramolecular Crystals based Fast Single Ion Conductor for Long-cycling Solid Zinc Batteries”的研究论文，团队成员Chen Ze、Huang Zhaodong为论文共同第一作者，中国科学院过程工程研究所何宏艳、支春义为论文共同通讯作者。
该研究开发了一种新型的由丁二腈（SN）和双（三氟甲磺酰）亚胺锌（Zn(TFSI)2）组成的ZMC，其结构式被确定为Zn(TFSI)2SN3。ZMC在晶格中形成了有序的三维通道结构用于离子传导，表现出高离子电导率（25°C时为6.02×10−4 S cm−1，-35°C时为3.26×10−5 S cm−1）和高tZn2+（0.97）。该研究证明，采用ZMC的Zn‖Zn对称电池具有出色的长期循环稳定性（1200小时）和无枝晶的镀锌/剥离工艺，即使在高达3 mAh cm−2的高镀层面密度下也是如此。制备的固态锌电池表现出色，具备高放电容量（1.52 mAh cm−2）、长期循环稳定性（70000次循环后容量保持率83.6%，即7个月）、宽温域适应性（-35至50°C）及快速充电能力。ZMC在传输Zn2+的结构上与SPEs有所不同，显著提升了ZIBs的性能，同时又保持了安全性、耐久性和可持续性。
DOI：10.1002/anie.202406683
该研究提出了一种新型的Zn基MC（ZMC），它由两个小分子SN和双（三氟甲磺酰）亚胺锌（Zn(TFSI)2）组成，其结构式被确认为Zn(TFSI)2SN3。经分子动力学MD模拟证实，有序晶格能够精确调节三维（3D）离子传输通道，通过离子跳跃机制在能量上有利于Zn2+在SEs中的传输。这些新型的ZMCs在宽温度范围内表现出高离子电导率，并确保单一Zn2+输运，促进了高度可逆的锌电镀/剥离，且无枝晶生成或析氢反应发生。基于此，制备了含有ZMC的Zn‖四氯-1,4苯醌（Cl4Q）和Zn‖聚苯胺（PANi）电池。与其他固态ZIBs相比，这些电池在循环寿命方面有了显著的改善，并表现出较高的面容量。此外，它们还能在低温和快速充电测试中保持优异的电化学性能。
总之，SPEs中聚合物链动力学的迟缓阻碍了固态ZIBs的性能。因此，采用一种非常规机制来构建快速Zn2+离子传导通道将是有益的。该研究开发了一种结构为Zn(TFSI)2SN3的新型ZMC，其晶体结构中形成了有序的三维Zn2+传导通道，显著提升了离子电导率（室温下为6.02×10−4 S cm−1，-35 °C时为3.26×10−5 S cm−1），tZn2+值高达到0.97。此外，通过这些晶体实现了超过1200小时无枝晶生成的稳定且高度可逆的锌电镀/剥离过程。基于ZMCs（Zn‖Cl4Q和Zn‖PANi）的固态电池表现出卓越的循环性能和高面容量（1.52 mAh cm−2），超越了其他固态ZIBs的性能。最重要的是，固态锌电池可实现长达70000次循环（7个月）的长效使用寿命。在3 mA cm-2的高面电流循环下，这些电池仍表现出卓越的性能。此外，它们在低温（−35 °C）及快速充电测试（以3.0 A g−1的速率充电）中均展现出优异的电化学性能。该研究为设计能在极端条件下运行的高效快速Zn2+导体用于ZIBs提供了见解，为在多种应用场景中实现高稳定性且可持续的全固态ZIBs开辟了新途径。
■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
