近日，贵州大学材料与冶金学院黄俊特聘教授课题组在锌离子电池凝胶电解质的研究中取得了重要进展，成果以 “Polydentate Ligand-Induced Surface Reconstruction of MIL-88A Reinforced Gel Electrolytes for Highly Reversible Zinc Batteries via Ion Rectification and Charge Redistribution”为题发表在国际顶级期刊“Advanced Functional Materials”（影响因子19.0，中科院一区TOP期刊）上。我校材料与冶金学院是论文的第一完成单位，我校硕士研究生颜泽宇和罗福生为文章的共同第一作者，贵州大学黄俊特聘教授和南昌大学陈义旺教授为共同通讯作者。
近年来，水系锌离子电池（ZIBs）由于其具有高安全性、低成本和环境友好性等优点在大规模及可持续能源存储系统领域引起了广泛关注。然而，锌的沉积/溶解不均匀、不均匀的电场以及锌阳极上的离子分布不均，以及电极-电解质界面处严重的副反应，导致锌枝晶大量生长并形成表面钝化层，从而阻碍了锌离子电池的发展。基于此，研究人员试图通过一系列方法来解决这些问题，例如阳极改性、阴极优化、界面工程、电解质工程等。其中，凝胶电解质作为一种极具前景的选择已经崭露头角，并因其独特的凝胶网络结构、出色的离子导电性、宽广的工作温度范围、安全且环保的半固态形式而受到了广泛研究。然而，凝胶电解质在锌离子电池中的实际应用仍存在一些根本性的限制，例如，由于离子传输缓慢导致的浓度极化，以及由于锌负极的电荷积累而产生的不均匀电场分布。金属有机框架（MOFs）因其结构可调性、超高孔隙率以及可编程离子筛分能力而成为解决使用凝胶电解质的锌离子电池所面临问题的极具前景的材料。然而，这些金属有机骨架大多缺乏具有氧化还原活性的位点或能够与锌离子发生化学相互作用的功能基团，而且金属有机骨架本身的化学惰性从根本上限制了其调节界面电荷重新分布的能力。这些问题导致金属有机骨架在凝胶电解质中用于构建更优的锌离子电池时未能充分发挥其优势。因此，构建具有高化学活性的高性能凝胶电解质，以实现有效的离子选择性/电荷重新分布，对于实现高度可逆的锌离子电池而言是至关重要的，但也是极具挑战性的。
鉴于此，我校黄俊特聘教授团队通过提出了一种独特的策略，即用多齿配体植酸（PA）重构MIL-88A的表面，然后将其引入PAM凝胶电解质中，以实现高度可逆的锌离子电池（ZIBs）。与仅依赖物理限制和表面化学惰性的传统MOFs填料相比，MIL-88A中的Fe3+/Fe2+还原活性位点与表面结合的PA的协同作用可以建立离子跳跃位点，从而构建均匀电荷分布和快速离子迁移的通道。这种离子整流/电荷再分布的协同策略已被证明能够在沉积过程中有效地实现电场和浓度场的双重均匀化，并有效促进Zn2+离子的快速迁移并抑制钝化现象。因此，Zn//Zn电池展现出超过3600小时的高循环稳定性以及56.9%的高锌利用率。此外，Zn//MnO2全电池在经过1500次循环后仍保持91.83%的高容量保留率。这种独特的策略将具有化学活性的MOFs与凝胶电解质相结合，为设计高度安全的锌离子电池提供了一种可行的方法。
该研究得到了国家自然科学基金、贵州省科技厅基金项目、贵州省教育厅基金项目等的资助。
图文：黄 俊
一审：谢海波
二审：赵 飞
三审：刘 剑