随着工业 4.0 和物联网 (IoT) 的到来，作为物联网应用不可或缺的一部分的传感器正呈指数级增长。在此背景下，太阳能自给自足技术已迅速发展成为一个全球竞争激烈的行业。值得注意的是，钙钛矿太阳能电池 (PSC) 因其卓越的能量转换效率 (PCE) 而备受关注。与此同时，水系锌离子电池 (ZIB) 因其不可燃、成本效益、高理论容量(820 mA h g-1、5855 mA h cm-3)和低氧化还原电位(相对于标准氢电极为-0.76 V)而备受追捧。这些技术之间的协同作用非常适合制造光充电锌离子电池，促进可再生能源的广泛应用，促进能源转型，减缓气候变化，促进可持续发展。然而，尽管锌离子电池具有无数优点，但锌阳极在充电和放电过程中的循环稳定性低于标准仍然是其实际应用的一个重大障碍。锌枝晶的形成和界面副反应是导致锌负极循环稳定性差的主要原因。为了解决这些问题，可以采用以下几种方法来提高锌负极的循环稳定性：(a)锌阳极表面涂层技术；(b)电解质添加剂工程；(c)构建 3D 结构化锌负极；(d)优化电池隔膜。值得注意的是，在这些方法中，锌电极表面涂层技术因其成本效益高、易于控制、制备方法多样、适合大规模生产而受到高度评价。与无机涂层相比，有机聚合物涂层具有以下几个优点：可以通过化学合成精确设计特定的官能团，与锌形成稳定的固体-电解质界面。有机聚合物中存在的官能团可以优化Zn2+的输送，加速电荷转移动力学，降低成核过电位，抑制枝晶生长，有效抑制副反应和腐蚀。此外，有机聚合物涂层通常表现出优异的界面适应性，即使在体积变化期间也能保持对锌阳极的强粘附性和封装性，从而减轻充放电过程中锌膨胀和收缩造成的结构损伤。鉴于此，大连化物所刘生忠教授、张浩翔，合成了一种含有多个 C=O 和 N 基团的功能聚合物涂层(PDPTT)，旨在增强 Zn 阳极的循环稳定性。极性功能团 C=O 和 N 与 Zn2+配位，促进 Zn 均匀沉积并抑制枝晶形成。此外，聚合物涂层降低了脱溶剂能垒，有效抑制了析氢等副反应。最后，C=O 和 N 与 Zn 阳极之间的相互作用促进了电子从 Zn 转移到聚合物涂层，从而增强了阳极界面对电解质的亲和力。利用这些优势，Zn-PDPTT//ZnPDPTT对称电池在 1 mA/cm2 的电流密度下表现出超过 4300 小时的超长循环时间。Zn-PDPTT//AC锌离子混合电容器在5 A/g电流密度下经过50,000次循环后仍表现出稳定的循环性能，Zn-PDPTT//NVO锌离子电池保持了81.74％的电容和99.22％的库仑效率。将Zn-PDPTT//NVO与高性能PSC耦合，可使光充电锌离子电池的总转换效率达到13.12％。其成果以题为“Multi‐Group Polymer Coating on Zn Anode for High Overall Conversion
Efficiency Photorechargeable Zinc‐Ion Batteries”在国际知名期刊 《Angewandte Chemie International Edition》上发表。本文第一作者为硕士研究生郭晓军等人，通讯作者为中国科学院大连化学物理研究所张浩翔和刘生忠教授。
⭐设计了一种含有多个 C=O 和 N 基团的功能聚合物涂层(PDPTT)，旨在增强 Zn 阳极的循环稳定性。
⭐Zn//Zn对称电池在1 mA/cm2，1 mA h/cm2的条件下可稳定循环超过 4300 小时。
⭐Zn-PDPTT//AC锌离子混合电容器在5 A/g电流密度下经过50,000次循环后仍表现出稳定的循环性能，Zn-PDPTT//NVO锌离子电池保持了81.74％的电容和99.22％的库仑效率。
⭐Zn-PDPTT//NVO与高性能PSC耦合，使光充电锌离子电池的总转换效率达到13.12％。
图1. Zn-PDPTT的制备和结构特性
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▲通过简单的滴涂法在锌表面制备了稳定的聚合物涂层，并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)证明了DPTT在锌界面上发生了聚合反应，形成了PDPTT。此外，还展示了PDPTT涂层的表面形态、厚度以及元素分布。▲通过与裸锌的对比，展示了PDPTT涂层在提高锌阳极循环稳定性方面的效果。使用扫描电子显微镜(SEM)观察了循环前后锌表面和截面的形态变化，并通过XPS分析了锌表面的成分变化。图3. PDPTT涂层对锌负极保护机制的分析
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▲通过线性极化曲线、线性扫描伏安法(LSV)曲线、Tafel斜率、计时电流法(CA)曲线、成核过电位的对比，以及通过COMSOL模拟的电场分布表明PDPTT涂层能显著降低锌的腐蚀率，抑制析氢反应，并改善锌离子的扩散机制。 图4. Zn-PDPTT//AC锌离子混合电容器和Zn-PDPTT//NVO锌离子电池的电化学性能测试▲通过循环伏安法(CV)曲线、不同扫描速率下的电流响应、电容贡献分析、电化学阻抗谱(EIS)曲线、倍率性能和循环稳定性测试，以此证明PDPTT涂层在提高锌离子电池性能方面的应用潜力。
▲包括光可充电机制的示意图、I-FPSCs的电流-电压(J-V)曲线、未封装I-FPSCs的效率保持情况、光可充电锌离子电池的充放电曲线、整体转化效率的计算结果，以及光可充电锌离子电池应用的示意图。综上所述，我们在 Zn 表面合成了一种高性能聚合物涂层聚(二乙炔基苯-1,3,5-三亚胺-2,4,6-三酮)(PDPTT)。PDPTT上的N和C=O降低了Zn的成核过电位，改变了Zn2+在阳极界面的扩散途径，降低了锌阳极析氢反应的腐蚀电流和电流密度。使用 DFT 和 COMSOL 模拟的理论计算表明，PDPTT 涂层使Zn表面的电场分布均匀，有利于Zn的可逆镀覆/剥离。此外，电子从Zn转移到PDPTT，增强了电极界面对电解质的亲和力。利用这些优势，Zn-PDPTT//Zn-PDPTT对称电池在1 mA cm-2条件下的循环寿命超过4300小时。Zn-PDPTT//AC锌离子混合电容器在5 A/g电流密度下循环50000次后仍保持稳定的循环性能，库仑效率可达100%。Zn-PDPTT//NVO锌离子电池表现出较高的容量(315.8 mAh/g)，在5 A/g电流密度下循环1000次后电容保持率为81.74%。将Zn-PDPTT//NVO与高性能钙钛矿太阳能电池耦合制备的光充电锌离子电池，综合转换效率可达13.12%。随着技术的不断进步和成本的进一步降低，光充电锌离子电池有望成为储能领域的主流选择，为实现可持续能源和绿色发展目标作出重大贡献。Multi-Group Polymer Coating on Zn Anode for
High Overall Conversion Efficiency Photorechargeable Zinc-Ion Batteries
Ming Chen, Xiaojun Guo, Xiao Jiang, Bita
Farhadi, Xin Guo, Yan Zhu, Haoxiang Zhang,* Shengzhong (Frank) Liu*
Angew. Chem. Int. Ed. 2024，e202410011
https://doi.org/10.1002/anie.202410011
刘生忠，中国科学院大连化学物理研究所研究员，中核光电首席科学家。1983年毕业于陕西师范大学，获理学学士学位；1986年毕业于兰州大学化学系，获理学硕士学位；1992年在美国西北大学(Northwestern University)获博士学位。1992-2011年间，先后在美国Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室)、Solarex、BP Solar、United
Solar从事研究工作。2012年起回国工作，任中国科学院大连化学物理研究所洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长、陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西省能源新技术工程实验室主任。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任Advanced Science、Journal of Energy Chemistry和Next Energy期刊(Elsevier)顾问编委，Advanced Functional Materials专刊编辑,Nano
Select 副主编；Scientific Reports、Nanomaterials编委等。在Science、Nature、Nat. Commun.、Joule、JACS、Adv. Mater.、Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem.等国际著名期刊发表SCI论文300余篇。荣获中国侨界贡献奖、中科院优秀导师奖，入选全球顶级2%科学家榜单、RSC(英国皇家化学会) “Top 1% 高被引中国作者”和科睿唯安 (Clarivate Analytics)“全球高被引科学家”榜单。H-index 95，i10-index >300。获国际和中国授权专利六十余项。参与承担国家重点研发计划，基金委重点项目集成项目，中国科学院先导专项、省部委重大重点项目和企业项目等
张浩翔，大连化学物理研究所助理研究员。2021年博士毕业于大连理工大学精细化工专业，2021-2023年大连化学物理研究所博士后，随后留所工作。目前的主要研究方向为发电储能一体电池的研发，锌基储能电池的制备。在Angew. Chem., Advanced Functional Materials, Chemical Engineering
Journal，Small等期刊发表多篇文章，申请专利2项。Chemical Synthesis专刊编辑。
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