『水系锌电』深圳大学 Advanced Functional Materials:压电场 - 晶面协同调控复合固态电解质,实现超高倍率长寿命锌电池
固态锌电池兼具高安全与高稳定性，然而锌枝晶不可控生长、界面副反应剧烈、Zn²⁺传输缓慢三大问题严重制约其发展：1）传统聚合物固态电解质盐解离不充分、离子电导率低，高倍率下极化急剧增大；2）锌沉积离子通量不均，形成尖锐枝晶，刺穿电解质导致短路；3）界面持续生成厚而不稳定的 SEI，加剧阻抗、腐蚀与析氢副反应。仅依靠物理阻隔或成分改性无法同时解决体相传质与界面沉积耦合难题，亟需场效应驱动的全新固态电解质设计策略。本研究首次构建ZnO 压电效应协同 PVDF-HFP 复合固态电解质（PHE-ZnO）：ZnO 诱导聚合物从 α 相向高极性 β 相转变，大幅增强界面极化电场；压电原位电场促进锌盐充分解离、加速 Zn²⁺传输，电导率提升至 2.48 mS cm⁻¹；电场均匀化界面离子通量，降低成核过电位，强制锌沿热力学稳定 Zn (002) 晶面致密沉积；诱导形成4 nm 超薄梯度 SEI，内层富含 ZnF₂/ZnS 无机相，实现高效离子传输与界面钝化。最终 Zn||Zn 对称电池在 0.1 mA cm⁻² 稳定循环2750 h，临界电流密度高达7.0 mA cm⁻²。①策略原创：首次将压电场效应与晶面调控耦合，实现固态电解质体相 - 界面一体化优化；②机制突破：ZnO 诱导 β 相富集 + 压电极化，建立持久界面电场，从根源均匀离子通量；③性能突破：对称电池超长寿命、超高临界电流，Zn||VO₂软包电池140 圈近乎 100% 容量保持。(A) PHE 与 PHE-ZnO 的 XRD 图谱；(B) 拉曼光谱；(C) 红外光谱；(D) PHE-ZnO 表面 SEM；(E) AFM 形貌；(F) 压电系数 d₃₃对比；(G–I) PFM 面内形貌、相位及剖面曲线。① ZnO 显著促进 PVDF-HFP 从 α 相向高极化 β 相转变，20.9° 对应 β 相 (110)/(200) 晶面；②压电系数由 10.3 提升至13.0 pC N⁻¹，形成稳定面内压电畴；图 2 Zn||Zn 对称电池循环稳定性与界面动力学(A) 0.1 mA cm⁻² 恒流长循环；(B) 临界电流密度对比；(C) 倍率循环性能；(D) 锌成核过电位；(E) 交换电流密度；(F) 离子传输活化能；(G) 原位电化学阻抗；(H) 弛豫时间分布 DRT 分析。②临界电流密度达7.0 mA cm⁻²，是纯 PHE 的两倍；③成核过电位降至28.4 mV，活化能低至0.0557 eV。(A) PHE-ZnO 体系循环 10/50/100 圈锌负极 SEM；(B) AFM 表面粗糙度；(C) PHE 体系原位 XRD；(D) PHE-ZnO 体系原位 XRD；(E–F) EBSD 反极图；(G) Cu 片沉积锌层 XRD。①锌沉积致密平整、无枝晶、无孔洞，粗糙度显著降低；②原位 XRD 与 EBSD 证实锌高度择优沿 Zn (002) 晶面生长；③ Zn (002)/Zn (100) 峰强比由 0.87 提升至3.30。(A–B) 不同阶段电场分布与电势差 FEM 模拟；(C) ZnO (002)/Zn (002) 异质结静电势与差分电荷密度；(D) 电解质 SAXS 小角 X 射线散射。①压电电场消除界面尖端热点，离子通量分布高度均匀；② ZnO 与 Zn 形成内置电场，定向引导 Zn (002) 晶面生长；(A) 循环锌负极 HRTEM；(B) FFT 点阵；(C) SEI 组分 TOF-SIMS 三维重构；(D–F) XPS 深度剖析 C 1s、F 1s、S 2p。①生成≈4.02 nm 超薄连续 SEI，远低于纯 PHE 的 15.65 nm；②内层富含ZnF₂(101)、ZnS(101)无机相，外层为柔性有机层；(A) 1 A g⁻¹ 长循环性能；(B) 倍率性能；(C) 静置自放电测试；(D) GITT 离子扩散系数；(E) 软包电池 0.2 A g⁻¹ 循环。①全电池1 A g⁻¹ 稳定循环 1000 圈，容量无明显衰减；③软包电池140 圈容量保持近 100%，可稳定点亮 LED。本研究开创压电场 - 晶面协同调控复合固态电解质全新策略：1）ZnO 诱导 β 相富集，构建稳定压电极化电场，加速 Zn²⁺传输与盐解离；2）电场均匀离子通量，强制锌沿 Zn (002) 晶面致密沉积，彻底抑制枝晶；3）诱导超薄梯度 SEI，内层 ZnF₂/ZnS 高效导电，外层有机缓冲应力；4）实现对称电池2750 h 超长循环、7.0 mA cm⁻² 超高临界电流密度。该工作建立场效应 - 晶面 - 界面一体化设计新范式，为高安全、高倍率、长寿命固态锌电池提供核心技术支撑。Synergistic Piezoelectric‐Field and Crystal Plane Manipulation in Composite Solid Electrolytes Toward High‐Rate Zinc Metal Batteries.Advanced Functional Materials, 2026; https://doi.org/10.1002/adfm.75614本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
