深圳大学米宏伟教授团队 AFM:压电场耦合晶面调控助力高倍率固态锌金属电池

第一作者：邓何婕

通讯作者：米宏伟

单位：深圳大学

锌离子电池（ZIBs）因成本低、安全性高、理论容量大等优势，被视为大规模储能的理想选择。然而，锌负极面临枝晶生长、析氢反应、腐蚀等界面问题，严重制约循环寿命和倍率性能。固态聚合物电解质能有效抑制枝晶、缓解副反应，但其自身存在盐解离不充分、Zn2+传输缓慢、界面接触差等瓶颈。因此，协同优化体相离子传输、界面电场分布是提升固态锌金属电池性能的关键。

近日，深圳大学米宏伟教授团队在Advanced Functional Materials上发表研究论文，提出了一种压电场耦合晶面修饰的复合固态电解质（PHEZnO）的策略。该电解质将ZnO纳米颗粒引入PVDFHFP基体中，利用ZnO的压电特性及诱导聚合物β相富集的双重作用，显著增强电解质的极化响应，在界面处建立持久的局域电场。这一电场有效促进了盐解离、加速了Zn2+传输，同时均匀化界面离子通量、降低成核过电位，引导锌沉积沿热力学稳定的Zn(002)晶面进行。此外，稳定的界面形成了富含ZnF2/ZnS无机内层、有机外层的薄且连续的SEI膜，进一步抑制副反应。基于PHEZnO的Zn||Zn对称电池在0.1 mA cm-2下循环超过2750小时，临界电流密度高达7.0 mA cm-2；Zn||VO2软包电池在0.2 A g-1下循环140圈容量几乎无衰减。该工作为设计场调控的高性能固态金属电池提供了新思路。

ZnO的引入不仅作为成核中心促进PVDFHFP的电活性β相形成，还将压电系数d33从10.3 pC N-1提升至13.0 pC N-1。PFM显示面内铁电畴取向差异达162°，而面外响应很弱，表明极化主要沿膜平面分布。这种增强的压电响应在循环过程中持续产生局域电场，显著改善离子传输和界面均匀性。

通过有限元模拟、原位XRD和EBSD证实PHEZnO显著削弱了界面尖端电场聚焦，降低电势差，使Zn2+通量均匀化。Zn(002)衍射峰随沉积时间持续增强，I(002)/I(100)比值从PHE体系的0.87提升至3.30。DFT计算显示ZnO(002)/Zn(002)界面发生电荷重排，形成内建电场，从热力学和动力学上共同促进(002)晶面优先生长。

HR-TEM显示PHEZnO形成的SEI厚度仅~4 nm（PHE为~15.6 nm），且均匀致密。FFT鉴别出ZnF2(101)和ZnS(101)晶相。TOFSIMS和XPS深度剖析揭示SEI具有内层富ZnF2/ZnS无机物、外层富含有机物的梯度结构，这种结构兼顾了快速离子传导与界面稳定性，有效抑制副反应且适应循环中的体积变化。

基于PHE-ZnO组装的Zn|Zn对称电池在0.1 mA cm-2下稳定循环2750 h，CCD达7.0 mA cm-2；Zn|Cu半电池450次循环平均库伦效率97.96%。Zn|VO2全电池在1 A g-1下循环1000圈保持稳定；软包电池0.2 A g-1循环140圈容量保持率接近100%，自放电10天仍保留91.2%容量。

本文通过将微量ZnO引入PVDF-HFP基聚合物电解质，成功构建了压电场耦合的复合固态电解质。ZnO不仅增强了电解质的β相含量和压电响应，更在界面处建立了持久的局域电场。该电场从“体相传输”和“界面沉积”两个维度协同优化，一方面促进盐解离和加速Zn2+传输，另一方面均匀化离子通量并引导Zn沿(002)晶面致密沉积。得益于这种场效应耦合晶面工程的协同作用，Zn负极的枝晶和副反应问题得到显著抑制。这项工作不仅实现了固态锌金属电池在长寿命和高倍率性能上的突破，更将场效应与沉积晶面工程相结合，为发展下一代高比能、高安全的固态金属电池提供了极具创新性的设计思路。

Synergistic Piezoelectric-Field and Crystal Plane Manipulation in Composite Solid Electrolytes Toward High-Rate Zinc Metal Batteries.

米宏伟， 女，博士，教授，博士生导师，深圳市高层次人才。担任《Rare Metals》和《Energy Materials and Devices》青年编委，中国复合材料学会新型电池与新能源复合材料分会委员，中国化工学会会员。2006年毕业于华南理工大学获硕士学位，2014年毕业于中国地质大学(武汉)获博士学位，2019年在美国佐治亚理工学院林志群教授课题组访问交流1年。目前主要从事微纳材料的离子、电子输运特性研究及其在光催化方面和二次电池中的应用。先后主持了国家自然科学基金面上项目及青年基金、广东省自然科学基金项目和深圳市重点研究项目等10余项，在国际重要学术期刊发表SCI论文140余篇，总引用7200余次，其中，以第一或通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater. 、Adv. Funct. Mater. 、ACS Nano、ACS Energy Lett.、ACS Catal.和Energy Storage Mater. 等国际著名学术期刊发表SCI论文58篇；已获授权发明专利10项，荣获广东省科学技术进步奖二等奖2项，广东省自然科学奖二等奖1项，参编著作1部。