2025年2月16日和17日，美国加州大学尓湾分校忻获麟教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.和J. Am. Chem. Soc.上连续发表最新成果，即“An Adhesive Adaptation Layer Mitigates the Interfacial Instabilities of Rigid Polymer Electrolyte”和“Polyelectrolyte Membrane Enables Highly Reversible Zinc Battery Chemistry via Immobilizing Anion and Stabilizing Water”。下面，对这两篇成果进行简要的介绍！

Angew. Chem. Int. Ed.：粘合剂适配层缓解刚性聚合物电解质的界面不稳定性

固态聚合物电解质（SPEs）被广泛认为是实现固态锂金属电池（SSLMBs）的有前途的候选者，具有更高的安全性、高能量密度和更长的循环寿命。传统观点认为，增加SPEs的力学模量可以增强其调节Li0沉积和抑制枝晶渗透的能力。然而，具有高存储模量的刚性SPE因无法适应Li0负极的体积变化而遭受分层诱导的电池失效。基于此，忻获麟教授等人通过调整聚合物骨架的交联密度，开发了一种基于聚丙烯酸酯的离子液体增塑型固态聚合物电解质（SPE），该电解质具有较高的存储模量（~100 MPa）和拉伸强度（1.16 MPa）。

图1-1.设计概念

原位电化学阻抗谱（EIS）监测显示，这种刚性SPE经历了从Li0负极的快速分层，表明界面电阻从350 Ω cm2大幅增加到超过8000 Ω cm2。在循环过程中，这种分层逐渐减少Li0和SPE之间的有效接触面积，导致在0.2 mA/cm2下240 h内电池快速失效。低温透射电镜表征揭示了不规则和不均匀的Li0沉积，与高模量SPE可以更好地调节Li0沉积行为的传统假设相矛盾。

图1-2.刚性固态聚合物电解质（R-SPE）中的分层挑战

为解决这些问题，作者设计了一种分层SPE（H-SPE），在Li0负极和刚性SPE之间加入了一层粘合剂自适应层（AAL）。AAL具有43.6 J/m2的高粘附能，提供了强的范德华相互作用，有效地减轻了电极-电解质分层。AAL表现出固-液相转变行为，允许流动性消除循环过程中形成的界面空隙和缺陷。这种分层设计允许H-SPE系统实现无晶须、圆顶状的Li0形态，并通过Cryo-TEM证实。

图1-3.带有AAL的H-SPE可以实现稳定的Li0溶解

此外，扫描电子显微镜（SEM）显示了沉积Li0形成的致密的表面形貌。除调节Li0沉积外，增强的界面接触还促进了SEI的形成，其中富含LiF和Li2O等无机成分。由于这些协同改进，H-SPE体系表现出良好的循环性能。在0.2 mA/cm2、0.5 mA/cm2和1 mA/cm2的电流密度下，Li0-Li0对称电池的寿命分别延长了8000、4000和1800 h。同时，Li0-LiFePO4全电池在3 C（1.14 mA/cm2）下循环工作4000次后，容量保持率为80%。H-SPE还显示出与高压、高负载NMC622正极（1.6 mAh/cm2）的相容性，在0.5 C（0.8 mA/cm2）下可实现960次循环，容量保持率为87%。这些发现突出了H-SPE系统作为下一代SSLMBs直接可靠的解决方案的潜力。

图1-4. Li0-Li0电池的长期循环性能

图1-5. Li0-负极全电池的性能

An Adhesive Adaptation Layer Mitigates the Interfacial Instabilities of Rigid Polymer Electrolyte.Angew. Chem. Int. Ed.,2025, https://doi.org/10.1002/anie.202424304.

J. Am. Chem. Soc.：聚电解质膜通过固定阴离子和稳定水实现高度可逆的锌电池化学

由于水的电压窗口有限、移动反离子的界面副反应以及充电过程中锌（Zn）金属枝晶的生长，水基电解液集成到锌离子电池（ZIBs）中遇到了挑战。基于此，忻获麟教授、许康教授等人报道了一种非氟化、单Zn2+离子导电、高模量的聚电解质膜（PEM），旨在通过固定水分子和阴离子来解决包括析氢反应（HER）、枝晶形成和Zn0腐蚀等关键挑战。传统的水电解液或凝胶聚合物电解质主要作为大分子溶剂，不能阻止阴离子和水分子的运动，而PEM将共价接枝的非氟阴离子（磺酸盐）结合到其聚合物主链上。

图2-1.设计概念

在水化后，解离的Zn2+离子成为唯一的移动电荷载体，导致阳离子转移数接近1（0.96），有效抑制了阴离子参与界面反应。同时，PEM具有质子接受功能的聚乙二醇（PEG）侧链，可以与水分子形成氢键。固态核磁共振（NMR）分析证实，这种相互作用稳定了PEM内的水分子。密度泛函理论（DFT）计算表明，在这种键合状态下，水的LUMO能量显著增加了0.23 eV，导致HER的起始电位负移110 mV。PEM具有较高的Zn2+转移值（tZn2+）（0.96）、高效的阴离子锚定和水的稳定性，有利于无腐蚀的Zn0沉积。

图2-2. PEG-H2O非共价相互作用抑制HER并增强Zn0可逆性

原子分辨率STEM表明，单晶ZnO沉积物受到紧凑的ZnO界面层的密切保护。从传统的水电解质（0.5 M ZnSO4）中沉积的Zn0呈现出多晶形态，伴随着各种副产物和嵌入的“死”Zn0晶体。PEM的高存储模量（0.3 GPa）作为固态扩散屏障，使界面Zn2+通量均匀化，诱导界面Zn2+扩散机制从二维（2D）“尖端生长”向三维（3D）“面内生长”转变。利用operando转变X射线显微镜（TXM），作者监测了不同电解液化学下Zn0的沉积。PEM使得Zn0生长稳定、均匀且致密，在电流密度为5 mA/cm2下，13 h后线性达到214 μm。而使用0.5 M ZnSO4导致沉积速率升高，最终在3.25 h内形成树突。

图2-3.高模量PEM有助于3D Zn2+扩散和无枝晶Zn0沉积

通过这种水结合和阴离子系聚方法，PEM表现出优异的电化学性能，在Zn0-Zn0对称电池中表现出3700 h的耐久性，在Zn0-Ti电池中实现99.9%的Zn0可逆性，并在Zn0-LiV3O8全电池中保持6000次循环的寿命。本研究引入了一种新的设计策略，通过利用聚电解质的离子调节和水结合功能来提高含水Zn0化学物质的可逆性，对所有受界面副反应困扰的高级电池化学物质具有普遍意义。

图2-4. PEM实现长寿命、高电流/容量和低N/P比的Zn0-阳极电池

Polyelectrolyte Membrane Enables Highly Reversible Zinc Battery Chemistry via Immobilizing Anion and Stabilizing Water.J. Am. Chem. Soc.,2025, https://doi.org/10.1021/jacs.4c12409.