保护界面层构筑及其对锌负极稳定性的调控机制研究

在水系锌离子电池中，锌金属负极面临着枝晶生长、析氢腐蚀以及副产物积累等严峻挑战，严重制约了器件的循环寿命与库仑效率。构筑人工保护界面层被认为是解决上述问题的有效策略之一。本研究采用超声喷涂技术，在金属锌箔表面成功制备了一层均匀、致密且厚度可控的保护层（约6 μm）。该技术通过高频振动将前驱体溶液雾化为微米级液滴，并借助载气均匀沉积于加热的锌基底上，避免了传统刮涂或旋涂方法可能产生的厚度不均或针孔缺陷，特别适用于大面积电极的规模化制备。

为验证保护层的结构完整性及功能性，我们采用多种表征手段进行了系统分析。X射线衍射（XRD）谱图显示，保护层呈现特征性衍射峰，与设计的目标物相高度吻合，无杂质峰出现，表明涂层具有高相纯度。扫描电子显微镜（SEM）观察揭示，保护层表面平整致密，无裂纹或孔洞，且与锌箔基底结合紧密；截面图像进一步确认了厚度约为6 μm，并呈现层状堆叠结构，有利于实现离子通路的均匀化。接触角测试结果则表明，该保护层显著提升了锌箔表面的疏水特性，水接触角由裸锌的约70°增大至110°以上。这种疏水环境能够有效抑制水合锌离子配位层中活性水分子与电极表面的直接接触，从而减轻析氢反应及碱式硫酸锌等副产物的形成。

抗氯离子渗透能力是评价保护层致密性的关键指标之一。氯离子常作为电解液添加剂或杂质存在，其较强的穿透能力易诱发局部腐蚀点。通过计时电流法及渗透实验发现，所制保护层对Cl⁻展现出优异的阻挡效果，渗透电流密度较裸锌降低了近两个数量级，证实该致密结构能有效隔离侵蚀性离子，维持界面化学稳定性。

为了从原子尺度揭示保护层的作用机理，我们开展了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算。重点考察了构成保护层的关键组分（标记为ZA）与不同离子之间的相互作用。计算结果表明，ZA对Cl⁻的吸附能高达-1.27 eV，远高于锌基底及其他常见界面材料（如石墨烯、MXene等）。这一强负吸附能意味着ZA表面与Cl⁻之间呈现强烈的排斥作用，即Cl⁻难以在其表面稳定吸附，从而被有效“弹开”，避免了氯离子诱导的点蚀。这一特性对于在含氯电解液环境中保持电极长期稳定性尤为关键。

与此同时，ZA对Zn²⁺的结合能达到-9.85 eV，显著强于未修饰锌表面。强结合能有利于捕获电解液本体中的Zn²⁺，并促进其溶剂化鞘层（尤其是水分子和阴离子）的脱除，即加速脱溶剂化过程。脱溶剂化被认为是锌沉积反应中的速率决定步骤，其动力学改善直接导致更低的成核过电位。因此，在保护层覆盖下，Zn²⁺能够以更少的能量障碍实现还原，进而诱导均匀的成核行为。

进一步分析离子扩散行为发现，Zn²⁺在ZA晶格中的扩散能垒仅为0.11 eV，这一数值远低于传统锌负极表面或常见无机涂层（如TiO₂、ZnO等）中的扩散能垒。低扩散能垒赋予了Zn²⁺在保护层内部快速迁移的能力，使得界面处的离子浓度分布更加均匀，有效避免了因局部离子耗尽或富集而引发的枝晶倾向。结合较低的脱溶剂化能垒，Zn²⁺能够源源不断地穿过保护层，并在锌箔表面实现致密、无枝晶的沉积形貌。

综上所述，通过超声喷涂技术在锌箔表面构建的ZA保护层，集疏水性、抗Cl⁻渗透、强Zn²⁺结合及低扩散能垒于一体，从多维度协同调控锌负极界面行为。该策略为设计高稳定、长寿命的水系锌电池提供了可行的界面工程思路，且超声喷涂工艺易于放大，展现出良好的应用前景。

关于驰飞

驰飞的解决方案是环保、高效和高度可靠的，可大幅减少过量喷涂，节省原材料，并提高均一性、转移效率、均匀性和减少排放。为企业提供围绕功能涂层的全套解决方案及长期技术支持，保证客户涂层稳定量产；针对特殊器械涂层需求，提供涂层定制研发服务；提供各类涂层代工服务。

杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。

英文网站：CHEERSONIC ULTRASONIC COATING SOLUTION

驰飞提供专业涂层解决方案：https://www.cheersonic-liquid.cn/