水系锌离子电池以其固有的安全性和低成本的特点引发了极大的研究热潮。锌金属具有许多优点，包括丰富的储量，合适的氧化还原电位，较高的理论容量。然而，锌金属负极也面临着腐蚀、析氢和枝晶生长等严峻挑战。目前已经报道了许多策略来解决与锌金属负极相关的挑战，其中表面改性策略由于其显著的保护作用和易于实施引起了人们的极大关注。近日，上海交通大学黄富强教授和上海硅酸盐研究所毕辉研究员提出通过电沉积和热处理相结合的方法在锌金属表面开发了一种多功能保护层。该界面层由碲纳米颗粒组成，从而实现无枝晶锌沉积和抑制析氢反应。DFT计算表明，碲对锌具有良好的亲和力，对析氢反应具有较高的抑制作用。有限元分析表明，界面层使电场、锌离子通量和电流密度均匀化。因此，Te@Zn负极在电流密度为1.0 mA cm-2时表现出最小的极化(≈14.8 mV)，在0.2 mA cm-2和0.2 mAh cm-2时稳定运行超过3600小时。此外，Te@Zn||KVOH全电池具有更高的比容量和更长的循环寿命。其成果以题为“Zincophilic Tellurium Interface Layer Enables Fast Kinetics for
Ultralow Overpotential and Highly Reversible Zinc Anode”在国际顶尖材料类期刊Advanced Functional Materials上发表，本文第一作者为陈荆竹，刘宁和赵思危，通讯作者为黄富强教授、毕辉研究员、万冬云教授，通讯单位为中国科学院上海硅酸盐研究所。
⭐设计实现了促进锌离子快速沉积动力学的碲界面层，抑制了析氢反应并诱使锌离子均匀沉积。
⭐通过理论模拟计算和原位/非原位表征等深入研究并证明了碲的高亲锌性以及碲界面层均匀界面电场和锌离子通量的作用。
⭐基于该表面改性策略，对称电池在1 mA cm−2下表现出14.8
mV的极低过电位，在0.2 mA cm−2下稳定循环超过3600小时。
图1. 界面层设计与表征
a) Zn和Te之间欧姆接触界面形成示意图。b) Zn(002)面和Te(001)面吸附的结合能。c) Zn(002)、Pt(111)、Te(001)晶面上HER的吉布斯自由能图。d) Te@Zn合成示意图。e) Te@Zn表面的SEM图像。f)FIB得到的Te@Zn阳极的横切面图。g) Te颗粒的HRTEM图像和SAED。h)
Te@Zn和原始锌箔的XRD图谱。i) Te@Zn和原始锌箔的拉曼光谱。j) Te@Zn负极的XPS谱。▲高功函数差驱动电子从锌向碲迁移，最终形成特征欧姆接触界面。通过DFT计算揭示了亲锌碲层诱导锌沉积的机理和原子水平上的析氢反应抑制作用。亲锌碲层为锌离子的脱溶和成核提供了丰富的锚定位点，有效地调节了锌离子的扩散和沉积行为。这一特性有望显著提高锌负极的循环性。a) Zn和b)
Te@Zn负极在5.0 mA cm−2下电镀1小时的原位光学显微镜。c)Zn和d)
Te@Zn负极在100次循环后的SEM图像。ZnSO4电解质与e) Zn和f) Te@Zn负极的接触角。g-i) Zn和j-l) Te@Zn的电场分布、Zn2+离子通量和电流密度模拟。▲Te@Zn负极在循环过程中没有形成锌枝晶。即碲层促进了均匀的锌沉积，通过增加成核位点抑制了枝晶的生长。有限元模拟进一步证明在锌负极表面构建碲层可以抑制析氢反应和腐蚀，并诱导均匀的锌沉积，有利于实现长循环锌负极。a) Zn和Te@Zn负极上镀/剥离锌的CV曲线。b) Zn||Zn对称电池和Te@Zn||Te@Zn对称电池的阻抗。c) 用Arrhenius方程计算Zn2+在Zn和Te@Zn负极中的活化能Ea。d) Zn和Te@Zn负极的Tafel曲线。e) 扫描速率为1 mV s−1，2 M ZnSO4水溶液中Zn和Te@Zn的LSV曲线。f) 在外加过电位为- 150 mV下，Zn和Te@Zn负极的CA曲线。g) Zn2+在Zn和Te@Zn上沉积示意图。▲碲层的存在降低了成核过电位，表明碲与锌离子的相互作用降低了锌的成核势垒。另外，电解质与Te@Zn负极界面的离子传输动力学更有利，易于实现锌离子的快速沉积，促进了锌的均匀沉积。Te@Zn的腐蚀电流密度较低，反映了较慢的腐蚀速率。Te@Zn呈现出比Zn更低的析氢电流密度，表明碲界面层有效抑制了析氢反应，降低了析氢动力学。a) Zn||Zn和Te@Zn||Te@Zn对称电池在1.0 mA cm−2、容量为1.0 mAh cm−2条件下的循环性能。b) 第一个循环对应的高分辨率电压时间曲线。c) 1497 ~ 1500 h的高分辨电压时间曲线。d)电流为0.5 ~ 10 mA cm−2、容量为1.0 mAh cm−2下，Zn||Zn和Te@Zn||Te@Zn对称电池的倍率性能。e) Zn||Zn和Te@Zn||Te@Zn对称电池在0.2 mA cm−2和0.2 mAh cm−2下的循环性能。f) Te@Zn与文献中报道的锌负极的过电位和循环时间比较。g) 电流密度为1.0 mA cm−2、容量为1.0 mAh cm−2的Te@Zn||Cu和Zn||Cu非对称电池镀锌/剥离过程的库伦效率。h) Te@Zn||Cu和i) Zn||Cu非对称电池在不同循环下的电压-容量曲线。▲通过组装对称电池和Zn|| Cu非对称电池评估锌负极。Te@Zn||Te@Zn对称电池始终表现出超稳定的电压分布，其特点是低过电位和优异的可逆性。即使与目前最新报道的一些界面改性工作相比，仍然具有较高的竞争力。a)
Te@Zn||KVOH全电池示意图。b) 扫描速率为0.1 mV s−1时Zn||KVOH和Te@Zn||KVOH全电池的CV曲线。c) 循环前Zn||KVOH和Te@Zn||KVOH全电池的阻抗图。d) Zn||KVOH和Te@Zn||KVOH全电池的倍率性能。e) 5.0 A g−1电流密度下Zn||KVOH和Te@Zn||KVOH全电池的循环性能。f) 软包电池开路电压。g) 软包电池串联为黄色LED供电的光学图像。h) 电流密度为0.5
A g-1时Te@Zn||KVOH软包电池的循环性能。▲用KVOH阴极、Te@Zn负极和硫酸锌电解质组装全电池，以证明Te@Zn负极的有效性。全电池表现出优异的长循环性能，软包电池的性能也进一步验证了实际应用的可行性。该工作在锌负极表面设计高效亲锌的碲界面层来提高锌负极的性能。理论模拟和实验结果表明，碲界面层在热力学上抑制氢的析出，在动力学上加速锌的沉积。同时，碲界面层通过均匀化界面电场、锌离子通量和电流密度来调节锌的沉积行为，实现无枝晶锌负极。基于亲锌碲界面层改性策略的对称电池、全电池和软包电池均表现出优异的电化学性能。该策略为水系锌离子的发展提供了新的前景。Zincophilic
Tellurium Interface Layer Enables Fast Kinetics for Ultralow Overpotential and
Highly Reversible Zinc Anode
Jingzhu Chen, Ning
Liu, Siwei Zhao, Wujie Dong, Zhuoran Lv, Dongyun Wan*, Hui Bi*, Fuqiang Huang*
DOI: 10.1002/adfm.202413495
黄富强，上海交通大学材料科学与工程学院讲席教授/未来材料创制中心主任，国家杰出青年基金获得者，专注于功能新化合物设计与合成、先进能源材料与器件制备、新型催化材料与绿色技术等研究；2003-2023年于中国科学院上海硅酸盐研究所任研究员/首席研究员；2010-2023年于北京大学化学与分子工程学院兼任教授/博雅特聘教授；2023年7月加入上海交通大学。
毕辉，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。研究方向为：石墨烯的可控制备以及新能源器件应用。2010年毕业于西北工业大学理学院应用化学系，获得材料学博士学位。2013年9月被聘为副研究员，硕士生导师。2020年被评为研究员，2022年被评为博士生导师。近年来主持国家自然科学基金等项目，以第一或通讯作者在国际著名期刊Adv Mater.、 Nano Lett.、Adv. Funct. Mater..等上发表50余篇论文，申请发明专利10项。
万冬云，曾任职于中国科学院、中国科学技术大学、上海大学等机构，个人H指数为30，累计发表论文91篇，论文总被引数累计4216次，主要研究方向涵盖材料学、化学、物理学与天文学、能源等领域，在Energy
and Environmental Sciences、Journal of Advanced Ceramics和Advanced Functional Materials顶级期刊累计发表7次。
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