Angew. Chem.：有机-无机一体化负极界面助力长寿命水系锌电池

水系锌金属电池（AZMBs）因其固有的安全性、低成本及锌金属阳极高理论容量（820 mAh/g）和资源丰富等优势，受到研究者广泛关注。然而，AZMBs 目前面临枝晶生长、锌金属腐蚀和产气等关键挑战，严重阻碍其实际应用。通常情况下，AZMBs 的负极界面膜主要由高刚性、高强度的无机组分组成，但无机界面膜脆性较大，易产生裂纹，诱发锌枝晶刺穿及副反应。因此，通过电解液添加剂调节界面膜组分成为有效解决方案：在界面膜中引入具有柔性和弹性的有机化合物，与无机组分协同作用，可提升界面膜的综合机械性能，实现刚柔并济的结构设计。

图1. （a）传统电解液和（b）引入添加剂后的负极界面膜的示意图。

南开大学张凯研究员，深圳大学轷喆教授在锌负极构建均质稳定的有机-无机一体化负极界面膜，并提出了最大弹性形变能（the maximum elastic deformation energy (U)）的指标。最大弹性形变能是指界面膜在发生弹性形变过程中所能吸收的最大能量，该指标能够定量评估界面膜机械性能与锌阳极电化学性能之间的关系。U值越高的界面膜能够同时具备较高的强度和较高的弹性。其中，较高的强度能够有效阻止Zn枝晶的生长和刺穿，而较高的弹性则可以适应锌阳极在充放电过程中的大体积变化，从而分别解决了这两个关键问题。界面膜中的咪唑基团还能捕捉H⁺，抑制锌阳极被腐蚀。

图2. TFMI分解和非晶态有机-无机一体化界面膜的表征。

通过多种表征手段和计算，系统的揭示了引入4-三氟甲基-1H咪唑（TFMI）添加剂后，Zn负极表面形成了均匀稳定的有机-无机一体化界面膜，其中ZnFₓ无机组分与含C-C/C-O的有机基质以非晶形态均匀分布。

图3. 有机-无机一体化SEI抑制析氢反应的机制和其力学性质的表征。

通过电化学和谱学表征证实，含TFMI的电解液能有效抑制析氢反应（HER），这归因于咪唑基团的作用。原位表面增强拉曼光谱进一步揭示了TFMI/TFMIH⁺的可逆转化过程。更重要的是，TFMI诱导形成的有机-无机一体化SEI展现出独特的力学性能：通过纳米压痕测试量化了SEI的最大弹性形变能（U），发现其兼具较高的杨氏模量（E）和较高的弹性应变极限（ε_Y），这种“刚柔并济”的特性使其能同时抵抗锌枝晶穿透和适应较大的电极体积膨胀。扫描电子显微镜、原子力显微镜和原位光学显微镜直观展示了TFMI能引导锌的均匀沉积和抑制枝晶的生长。

图4. 电化学性能测试

在全电池测试中，采用聚苯胺(PANI)正极和TFMI改性电解质的Zn||PANI电池展现出优异的性能，所制备的软包电池即使在弯曲和切割状态下仍能点亮LED灯泡，显示出TFMI添加剂在实际应用中的潜力。这项研究深化了对锌负极界面膜的理解，提出了一种最大弹性形变能的筛选指标，为下一代锌离子电池的设计与发展提供了新思路。

论文信息

An Organic-Inorganic-Integrated Solid Electrolyte Interphase with High-Resilience and Anti-Corrosion for Sustainable Zinc Metal Anode

Maoyu Peng, Zhenjie Liu, Machuan Hou, Ruochen Zhang, Min Cheng, Jiangtao Yu, Yang Feng, Peixin Jiao, Tongrui Zhang, Ziheng Zhang, Prof. Xi Chen, Prof. Zhe Hu, Prof. Kai Zhang

本文通讯作者是南开大学张凯研究员和深圳大学轷喆教授，第一作者是南开大学/深圳大学彭懋宇。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202501702