 点击上方“蓝字” 一键订阅 近日，来自澳大利亚昆士兰大学（The University of Queensland）生物工程与纳米技术研究所（AIBN）的张承研究团队在国际顶级化学期刊 Journal of the American Chemical Society（JACS） 上发表最新研究成果，报道了一种两亲性氟化嵌段聚合物电解液添加剂，显著提升了水系锌离子电池的循环稳定性与实用性能：精准调控氟含量构建 ZnF2富集界面——自动色谱驱动的高性能水系锌离子电池电解液添加剂设计。  水系锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs）因其成本低、安全性高、环境友好以及锌金属高达 820 mAh g-1 的理论容量，被认为是极具潜力的大规模储能技术。然而，在水系电解液中，锌金属负极由于其高热力学活性，在循环过程中不可避免地面临枝晶生长、析氢反应（HER）以及界面副反应累积等问题，导致库仑效率降低和电池寿命严重受限。 近年来，氟化电解液添加剂被广泛用于稳定锌负极界面，但其性能往往高度依赖分子结构与氟含量，缺乏明确的设计准则，表现出“有时有效、有时失效”的经验性特征。这一问题在很大程度上限制了氟化策略在水系锌电池中的进一步推广。 近日，来自昆士兰大学（The University of Queensland）的张承研究团队以Amphiphilic Fluorinated Block Copolymer Additives for Ultrastable Aqueous Zn-Ion Batteries为题在Journal of the American Chemical Society 上发表研究成果，提出了一种基于自动色谱的高通量分子筛选策略，系统揭示了氟含量平衡在界面构建与锌沉积行为中的决定性作用，并实现了超稳定水系锌离子电池体系。  核心策略：自动色谱驱动的“氟含量精准调控” 该研究设计了一类两亲性氟化嵌段聚合物添加剂，由亲水性的寡聚乙二醇（OEGA）链段与氟亲和性的全氟聚醚（PFPE）链段构成。亲水链段保证添加剂在水系电解液中的良好溶解性并参与锌离子溶剂化调控，而氟化链段则作为界面反应的氟源，用于构建稳定的无机界面层。 不同于传统逐一合成、逐一测试的“试错式”优化路径，研究团队引入自动色谱分离技术，从同一母体聚合物中在极短时间内获得一系列氟含量连续可调、分散度极低的添加剂库。这一策略使得添加剂组成、电解液结构与电化学性能之间的关联得以被系统、可预测地解析。  图 1.（a）母体添加剂（P5）的合成示意图。（b）通过色谱分离 P5 得到一系列分级聚合物材料。（c）聚合度（DP）和氟含量（F%）随洗脱时间的变化。（d）分馏组分 S3、S5 和 S8 的¹H NMR 谱图。（e）在 2.0 M Zn(OTf)2 溶液中，通过动态光散射（DLS）测定的分级添加剂材料的水动力学直径。（f）在 D2O 中，空白电解液及含不同分级添加剂（2 mg mL-1）的电解液的1H NMR 谱图。（g）S5 电解液中 Zn–O 的径向分布函数（RDF）及其对应的配位数。（h）S5 电解液的分子动力学（MD）模拟快照。 关键机理：氟含量平衡诱导原位 ZnF2 富集 SEI 研究发现，聚合物添加剂的氟含量在界面稳定性中起着决定性作用。当氟含量处于合理区间时，添加剂在锌负极表面发生可控分解，原位构建富含 ZnF2 的固体电解质界面（SEI）。 该 ZnF2 富集 SEI 具备多重关键功能： 1.具有优异的电子绝缘性，可有效阻断持续析氢反应 2.提供较高的界面能，促使锌沿(002) 晶面择优沉积 3.调控锌离子成核与生长行为，实现均匀、致密的沉积形貌 与氟含量过高或过低的体系相比，氟含量平衡的聚合物添加剂能够同时兼顾界面稳定性与离子传输动力学，从根本上抑制枝晶和副反应的协同放大效应。  图2. 在 1 mA cm-2, 1 mAh cm-2 条件下循环 20 次后，不同电解液添加剂体系中锌负极的 XPS 表征。（a）左：在含 2 mg mL-1 的 S3、S5 和 S8 添加剂电解液中循环后，经 Ar+ 溅射 0，60，120 和 300 s 所获得的 Zn 2p 深度剖析谱图；右：对应的成分分析汇总。（b）左：经 Ar⁺ 溅射 0、60、120 和 300 s 后获得的 F 1s 深度剖析谱图；右：对应的成分分析汇总。  图3. 空白电解液（a）和 S5 电解液（b）在新鲜锌箔表面的接触角测试。（c）基于密度泛函理论（DFT）计算得到的 H2O、PEG 及 PFPE 片段在锌金属表面的吸附能。（d）空白电解液和 S5 电解液中锌金属腐蚀行为的塔菲尔（Tafel）曲线。（e）空白电解液和 S5 电解液中的线性扫描伏安（LSV）曲线；插图为在 5 mA cm-2 条件下循环 500 次后，使用 S5 电解液（左）和空白电解液（右）的 Zn|Zn 扣式电池的数码照片。（f）在空白电解液和 S5 电解液中循环后的 Zn|Zn 电池中回收锌箔的 XRD 图谱。  图 4。（a）在 20 mV s-1 扫描速率下，空白电解液和 S5 电解液中锌成核过程的循环伏安曲线。（b）在恒定电压 −150 mV 条件下，空白电解液和 S5 电解液中 Zn|Zn 对称电池的计时电流测试。（c）在 5 mA cm-2 条件下循环 50 次后，空白电解液和 S5 电解液中锌箔的表面及截面 SEM 图像。（d）在 5 mAh cm-2 电流密度下沉积 0.5 h 后，新鲜锌箔与沉积锌的 XRD 图谱，其中 R = I(002)/I(101)。（e）在 5 mA cm-2 条件下沉积后，空白电解液和 S5 电解液中锌沉积形貌的光学显微镜照片。（f）在 5 mA cm-2 电流密度下，空白电解液（左）和 S5 电解液（右）中，经抛光锌电极表面锌沉积的三维共聚焦激光显微镜图像。 性能表现：超长寿命与器件级验证 得益于上述界面调控机制，该体系在多种电池构型中均表现出显著提升的电化学性能：
 图5. 空白电解液及分级聚合物添加剂的电化学性能表征。（a）在 1.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2 条件下循环的 Zn|Zn 对称电池的循环寿命，插图为电压曲线的局部放大图。（b）在 5.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2 条件下循环的 Zn|Zn 对称电池的循环寿命，插图为电压曲线的局部放大图。（c）采用 S5 电解液，在 6.3 mA cm-2、18.9 mAh cm-2 条件下循环的 Zn|Zn 对称电池的循环寿命。（d）在有无 S5 聚合物添加剂条件下循环后的锌电极和玻璃纤维隔膜的数码照片（Zn|Zn 电池，5.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2 条件下循环 20 次）。（e）在空白电解液（左）和 S5 电解液（右）中循环后的锌负极三维共聚焦激光显微镜图像（Zn|Zn 电池，5.0 mA cm-2、1.0 mAh cm-2 条件下循环 20 次）。（f）采用不同电解液的 Zn|Cu 电池的库仑效率（CE），测试电流密度为 2.0 mA cm-2，沉积容量为 1.0 mAh cm-2；插图为电压曲线的局部放大图。  图 6. Zn|NVO 全电池的循环性能。（a）含与不含 S5 添加剂的 Zn|NVO 电池的倍率性能。（b）在 2 A g-1 下 Zn|NVO 电池的长循环性能。（c）在 5 A g-1 下 Zn|NVO 电池的长循环性能。（d）在 5 A g-1 电流密度下，采用 S5 电解液的 Zn|NVO 电池的充放电行为。（e，f）在 5 A g-1 条件下循环后，使用空白电解液（e）和 S5 电解液（f）的 Zn|NVO 电池中锌负极的 SEM 图像。（g）在 2 A g-1 下，采用 S5 电解液的软包电池的长期循环性能。（h）该软包电池性能与近期报道的钒基水系锌离子电池的对比。 这些结果表明，该策略不仅在实验室尺度下具有显著优势，同时具备向实用级水系储能器件拓展的潜力。 研究意义 该工作不仅报道了一种高性能氟化聚合物电解液添加剂，更重要的是提出了一种基于自动色谱的添加剂快速发现与设计范式，为长期以来缺乏设计准则的氟化电解液体系提供了清晰的结构–界面–性能关联。 这一研究为稳定锌金属负极界面、实现可预测的锌沉积行为提供了新的分子设计思路，也为水系金属电池中功能高分子材料的理性开发奠定了方法学基础。文章第一作者Yiqing Wang (王逸箐)。 原文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.5c14364  团队招聘 课题组现面向聚合物化学、电池能源与环境工程方向招收博士后以及全奖博士研究生，欢迎具有相关背景的优秀硕士生申请加入！联系邮箱：c.zhang3@uq.edu.au 研究方向（可选） 1.高分子电解质与固态电池材料·离子导体设计· 自由基聚合/RAFT聚合合成策略· 电池性能表征与界面调控 2.新型聚合物吸附剂用于PFAS等污染物去除·可持续高分子材料· 界面吸附机制与建模· 实际水体体系中应用与测试 3.智能响应材料与环境传感器·多功能聚合物设计· 微流控平台与环境检测 相关资讯 东华大学武培怡/焦玉聪团队 Nat. Commun.: 阳离子去屏蔽效应 - 水系锌电池的超低温能量存储新策略 南京大学姚亚刚教授/安阳师范学院李朝威副教授 AFM：高性能水系凝胶态柔性锌离子电池的理性设计 哈工大张乃庆教授团队 Angew：- 70℃工作的“抗冻”水系锌离子电池  高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn   诚邀投稿 欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。 欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。 申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。  点 这里“阅读原文”，查看更多 |
