鋅基水系電池（ZABs）被認為是“后鋰”時代安全和大規(guī)模儲能的有希望候選者。然而，Zn捕獲的動力學和穩(wěn)定性問題仍不能同時調(diào)節(jié)，特別是在高倍率和負載條件下。

為此，復旦大學晁棟梁研究員、南京大學Pan Xue等人提出了一種分級限域策略，通過構(gòu)建具有親鋅Co位點和空間限域的共嵌入碳籠（表示為CoCC）來實現(xiàn)高倍率和長期穩(wěn)定的鋅負極。其中，鋅金屬密集地封裝在碳纖維之間的間隙和CoCC主體的中空碳籠內(nèi)。Zn沉積特性可通過以下方式有效調(diào)節(jié)：

（i）親鋅Co位點作為具有低成核勢壘的首選成核位點，可定向引導Zn成核（0.5 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）；

（ii）具有高表面積的碳籠用作鋅“捕獲器”，可在空間上限制金屬鋅在籠內(nèi)的均勻生長（在5.0 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）；

（iii）3D精細化的一體化框架不僅可以降低局部電流密度和均勻Zn²⁺通量，還可以緩沖長期鍍鋅/剝離過程中的巨大體積變化（12 mAh cm^-2以內(nèi)起作用）。

圖1. 鋅箔、碳纖維和CoCC網(wǎng)絡上的Zn沉積示意圖

鍍鋅后CoCC主體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化闡明了Co位點和多孔碳籠在定向引導Zn 金屬的成核和空間受限沉積中的重要作用，Zn金屬鍍層的原位光學顯微鏡觀察進一步證實了CoCC框架內(nèi)的空間限域效應。因此，相比于純鋅箔負極，Zn@CoCC復合負極在20 mA cm^-2的超高電流密度下能夠?qū)崿F(xiàn)無枝晶鍍鋅/剝離，具有超過800圈的穩(wěn)定循環(huán)壽命和約65 mV的低過電位。

此外，基于Zn@CoCC復合負極組裝的全電池在2000 mA g^-1的超高電流密度下仍可提供高達2000圈的長循環(huán)壽命，表明其出色的耐用性和可靠性。最后，作者基于有限元（FEM）模擬和第一性原理理論計算從理論層面闡釋了空間限域效應。總之，這項工作為進一步研究用于穩(wěn)定金屬負極的先進主體設計和構(gòu)建提供了啟示，并促進下一代高性能水系電池的發(fā)展。

圖2. 含CoCC的水系ZAB的原位光學觀察和電化學性能

Hierarchical Confinement Effect with Zincophilic and Spatial Traps Stabilized Zn-Based Aqueous Battery,?Nano Letters?2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01235