研究背景：

随着全球能源结构向清洁化转型，储能技术成为可再生能源高效利用的关键。锂离子电池虽占据市场主流，但其高成本、易燃易爆等隐患限制了大规模应用。相比之下，水系锌离子电池（ZIB）凭借成本低、安全性高、理论容量大等优势备受关注。然而，锌电池在充放电过程中易出现枝晶生长、副反应频发等问题，导致电池寿命短、性能衰减快，成为制约其商业化的核心瓶颈。

内容简介：

针对这一难题，广东科技学院张彤副教授团队提出创新解决方案：通过构建具有超高比表面积和丰富极性官能团（-OH、-COOH、-CH3）的二氧化硅气凝胶层对锌负极进行了改性，不仅为锌离子的均匀沉积提供了丰富的活性位点，还构建了一个人工保护层，起到了脱溶层和锌离子通量调节器的作用，优化锌离子电池性能。其成果以“Using Silica Aerogel Layers for the Stabilization of Zn Metal Anodes in Zn-Ion Batteries”为题在国际期刊ChemistrySelect上发表。本文第一作者为广东科技学院本科生张锦城，通讯作者为张彤副教授，广东科技学院为通讯单位。

研究内容：气凝胶外衣如何革新锌电池性能

1. 创新设计：超轻气凝胶保护层

研究团队采用溶胶-凝胶法，制备了一种二氧化硅气凝胶材料。该材料具有超高比表面积（725 m²/g）和丰富的极性官能团（-OH、-COOH等），形成多孔三维网络结构。将其涂覆于锌负极表面后，气凝胶层发挥双重作用：

抑制副反应：通过限制自由水接触锌负极，减少腐蚀和氢析出；

引导均匀沉积：微孔结构提供大量活性位点，调控锌离子通量，抑制枝晶生长。

图1.气凝胶的表征测试

2. 性能突破：寿命延长超10倍

实验数据显示，改性后的锌负极展现出卓越性能：

对称电池测试：在0.5 mA/cm²电流密度下，循环寿命超过1100小时，是传统锌电池的10倍以上；

极化电压降低：高电流密度（10 mA/cm²）下，电压滞后仅75 mV，较未改性电池（220 mV）显著优化；

全电池表现：Zn/MnO₂全电池循环300次后容量保持率仍达50%，远超对照组（6%）。

图2.恒流充放电测试及不同电流密度的倍率充放电测试

3. 机理验证：从微观到宏观的性能提升

通过SEM、XRD等表征发现，气凝胶层有效诱导锌离子均匀沉积，避免了传统锌负极表面的枝晶和副产物堆积。此外，接触角测试表明，改性电极的亲水性增强，加速了离子传输动力学，进一步提升了电池效率。

图3.改性前后的恒流充放电循环测试的负极表征测试及电化学性能测试

图4.全电池性能测试

4. 应用前景：绿色安全的未来储能方案

该技术具备四大优势：

高安全性：杜绝自燃、爆炸风险；

环境友好：原材料易回收，污染极小；

成本低廉：锌资源丰富，制备工艺简单；

广泛适用：可适配风电、光伏等间歇性可再生能源储能，并拓展至医疗设备、智能穿戴等领域。

研究结论：

综上所述，张彤副教授课题组通过构建具有超高比表面积和丰富极性官能团（-OH、-COOH、-CH3）的二氧化硅气凝胶层对锌负极进行了改性，这不仅为锌离子的均匀沉积提供了丰富的活性位点，还构建了一个人工保护层，起到了脱溶层和锌离子通量调节器的作用。因此，改变后的锌负极表现出极其持久的亲锌特性和不断下降的界面阻抗。构建的人工保护层可以防止副反应，促进锌离子均匀沉积，从而防止在充放电过程中产生锌枝晶。 随着全球“双碳”目标的推进，这项技术有望加速锌离子电池在可再生能源储能、便携电子设备等领域的应用，助力构建清洁、高效的能源未来。

声明：凡来源或标记以“大学生云报”之内容均为本网合法拥有版权或有权使用的作品，至发布之日起三日后方可原文转载，转载时请注明来源及有效联系方式。

审定：张锦城    责编：赵旭 + 投诉举报