近日，湖北工业大学理学院科研团队在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（自然指数期刊，一区Top期刊，影响因子19.0）上发表题为“Tortuosity Engineering of Artificial Protective Layers for Enhancing the High-Current-Density Durability of Zn Anode”的研究论文。理学院青年教师李小惠为第一作者，学院胡培教授及华中师范大学物理科学与技术学院余颖教授、杨泽副教授为共同通讯作者，我校为论文第一单位。
水系锌离子电池凭借水系电解液本征安全、环境友好及超高离子电导率等优势，是大规模储能领域的重要选择。然而，锌负极在循环过程中的枝晶生长问题严重制约了其高电流密度工况下的应用，尤其在大电流快充场景下更为突出。构建人工固体电解质界面层（ASEI）被广泛认为是抑制枝晶的有效策略，但传统ASEI多聚焦于材料本征离子电导率或化学稳定性提升，却普遍忽视了界面层内部离子传输通道的拓扑结构特征。高迂曲度（τ）离子通道迫使Zn2+沿曲折路径迁移，有效传输距离远超界面层厚度，导致高倍率下离子补充不足，从而诱发枝晶生长。尽管已有研究尝试通过提高ASEI材料孔隙率来改善离子传输，但多孔组分的随机分布难以保证迂曲度的有效降低，孔隙率提升对离子传输的改善贡献十分有限。
针对上述问题，团队创新性提出以降低ASEI迂曲度而非单纯增加孔隙率为核心的设计思路，借助碳酸氢铵原位热分解造孔，成功构建低迂曲度Al2O3 ASEI。该方法在保持涂层化学完整性的前提下，构筑了短直有序的离子迁移通道（迂曲度从3.60显著降低至1.84）。这种低迂曲度结构大幅缩短了Zn2+的有效扩散路径，提高了有效离子扩散系数，显著缓解了界面浓差极化，Zn2+沉积更加均匀致密。电化学性能方面，低迂曲度ASEI保护的锌负极展现出卓越的快充稳定性，其对称电池在10 mA cm-2下稳定循环超1000小时，在40 mA cm-2的超高电流密度下仍可稳定运行120小时；组装的Zn-I2全电池在5 A g-1高倍率下稳定循环5000圈。值得注意的是，该策略在ZnO和TiO2等多种ASEI材料体系中均得到有效验证，证实了“迂曲度调控工程”可作为通用设计原则，为发展快充型水系锌离子电池提供了全新的界面设计思路。
该研究工作得到了湖北省教育厅科研项目（D20231403）、湖北省自然科学基金创新与发展联合基金（2025AFD096）、湖北省自然科学基金（2024AFB303、2025AFB048）、武汉市自然科学基金（2025040601020156）、湖北工业大学校级科研启动基金（XJ2025006001、XJ2023002601）、湖北工业大学科研项目基金（GCRC2021005）的支持。
原文链接：
Xiaohui Li, Zhiyong Zhou, Wenping Wang, Chenchen Wei, Yaran Shi, Dong Wang, Linna Dai, Xiaoyan Zhou, Yan Jiang, Jinlong Cai, Lingyun Han, Ze Yang*, Pei Hu* and Ying Yu*. Tortuosity Engineering of Artificial Protective Layers for Enhancing the High-Current-Density Durability of Zn Anode. Advanced Functional Materials, (2026) n/a, e77832.
http://doi.org/10.1002/adfm.77832
责任编辑：陈凌
