水系锌离子电池(AZIBs)具有较高的理论容量(820 mAh g-1)和相对较低的氧化还原电位(-0.76 V)，有良好的应用前景。水系锌离子电池使用水系电解液避免了传统有机电解液易燃的缺点。同时，金属锌具有资源丰富、毒性低、易处置等优点。因此，价格低廉、安全性高、无环境污染、功率高的二次AZIBs是理想的绿色电池体系。然而，热力学不稳定的Zn和H2O共存时，往往伴随着严重的金属腐蚀、析氢和枝晶生长，导致Zn阳极的可逆性很低。因此，通过设计锌阳极保护层提高电池的循环稳定性很有必要。

刘健教授、张媛媛研究员、魏航副教授研究团队报导了PVDF/CNTs保护层的构筑及其在高性能水系锌离子电池中的应用。研究团队采用相转移的方法在Zn阳极表面设计了一种多孔导电保护层(命名为PVDF/CNTs-PT)。通过原位光学电镜、COMSOL模拟和迁移能垒计算，证明了PVDF/CNTs-PT有效抑制了Zn枝晶的产生和H2O引发的副反应，实现了锌离子的均匀沉积。同时，团队使用原位计算机断层扫描( CT原位表征系统由北京中研环科科技有限公司提供)技术观察了Zn沉积的全过程。使用PVDF/CNTs-PT保护层后的对称电池表现出无枝晶的电镀/剥离过程，并且具有比普通锌离子电池更好的循环稳定性。通过将PVDF/CNTs-PT@Zn负极与商用V2O5耦合，实现了稳定的可充电全电池。本工作为构建具有三维多孔网络结构的锌阳极保护层提供了一种简单、经济的方法，为各种金属阳极保护层的设计提供了有效、通用的策略。该方法不仅在水系锌离子电池里有广阔的实际应用前景，而且实验表明在铜离子电池、铝离子电池中均具有潜在的应用价值。相关成果以“Enabling Stable Zn Anode with PVDF/CNTs Nanocomposites Protective Layer Toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在国际材料类学术期刊Advanced Functional Materials。内蒙古大学化学化工学院2023级博士研究生王近昌为第一作者，刘健教授、张媛媛研究员、魏航副教授为通讯作者，内蒙古大学为论文第一完成单位。

原位测试与模拟。( a )裸Zn和( b ) PVDF / CNTs-PT @ Zn在不同电镀时间(在10 mA cm^-2时)的原位光学测试。( c )裸Zn阳极的SEM图像。( e ) PVDF / CNTs-PT @ Zn负极在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2 下经过20次循环后。50个周期前后的原位CT。( d ) .裸Zn . ( f ) . PVDF / CNTs-PT @ Zn。模拟裸Zn和PVDF / CNTs-PT @ Zn表面的( g , h)电场和( i , j)Zn⁺²分布。

与普通PVDF膜相比，PVDF在相转移过程中产生的多孔结构为锌离子的传输提供了充足的通道。3D多孔结构的大比表面积降低了界面电流分布，缓解了长期重复电镀/剥离过程中的体积变化。此外，PVDF中丰富的F在排斥H2O的同时，通过库仑作用调节Zn表面Zn2+的浓度分布。这缓解了由于3D多孔导电网络比表面积的增加而加剧的Zn和H2O的副反应。均匀分布的CNTs组成的三维导电网络提高了PVDF的导电性。因此，CNTs的加入可以显著促进离子电导率的提高，并形成均匀的界面电场分布。因此，PVDF / CNTs-PT @ Zn可以同时调控浓度场和电场再分布，共同促进Zn2+的均匀分布和沉积，抑制枝晶的产生、腐蚀和析氢副反应。