研究背景
随着可再生能源的快速发展，安全、高效、低成本的储能体系需求不断增长。相比锂离子电池，水系锌金属电池（ZMBs） 因其高理论容量（820 mAh g⁻¹）、低还原电位（-0.76 V vs. SHE）以及水系电解液的高安全性，成为下一代储能技术的有力候选者。然而，ZMBs 在商业化应用中仍面临两大关键难题：一是锌枝晶生长：在反复充放电过程中，锌离子在金属表面沉积不均匀，容易形成针状枝晶，刺穿隔膜，引发短路和电池失效。第二个难题是副反应严重：由于水的存在，锌金属在界面上会发生副反应（氢析出、腐蚀反应），导致库仑效率下降和循环寿命缩短。因此，如何通过界面调控来实现均匀锌沉积、抑制副反应，是目前研究的核心问题。已有研究尝试通过电解液优化、人工界面层构筑、合金化等方式来改善，但仍存在材料稳定性差、离子传输效率不足等局限性。在此背景下，来自日本筑波大学的 Eunjoo Yoo 教授课题组提出了一种新策略：利用导锌金属有机框架（ZIF-7/SA ）构筑功能化界面层，以同时解决枝晶和副反应问题。
研究内容
本研究的核心在于设计并合成以 SA 作为黏结剂，与 ZIF-7 复合一种在锌负极上构建保护涂层，并将其作为人工界面层修饰在锌金属表面，以实现对锌沉积/剥离过程的调控。研究主要包括以下几个方面：
1，ZIF-7/SA界面层的构筑与表征
研究团队将 ZIF-7 与海藻酸钠（SA）复合涂覆在锌片表面，形成厚度约 10 μm 的致密界面层 ZIF-7/SA 薄膜。SEM 显示表面平整，FTIR 证明 SA 羧基与 Zn²⁺ 发生配位，结构稳定。
2，电化学性能测试
在对称电池中，裸 Zn 仅稳定 35 小时，而 ZIF-7/SA 可循环超 1800 小时，在 20 mA cm⁻² 的高电流密度下也能保持 500 小时。库仑效率始终维持在 99.7% 以上。
3，抑制枝晶与副反应的机制
原位显微镜和 SEM 观察表明，裸 Zn 会出现枝晶和气泡，而 ZIF-7/SA 表面沉积均匀无副产物。接触角实验也显示其更易润湿，利于均匀沉积。
4，理论计算与机理解析
作者通过 DFT 计算揭示了界面层作用机理：利用周期性建模思路，使用 AMS 软件的 BAND 模块，对含水分子的 ZIF-7 框架进行了模拟，结果显示其孔道有助于 Zn²⁺ 脱溶剂和传输；利用小分子建模思路，使用 Gaussian 16 计算 [Zn(H₂O)₆]²⁺ 的脱溶剂过程，进一步验证了能量变化趋势。总体结果表明，ZIF-7/SA 涂层显著降低 Zn²⁺ 的去溶剂化能垒和成核能垒，使其更容易在界面均匀沉积，这与实验测得的优异循环稳定性高度吻合。
研究结论
本研究通过构筑导锌金属有机框架（ZIF-7/SA）界面层，提出了一种兼具 高导锌性与高稳定性的界面调控策略。主要结论如下：
- ZIF-7/SA 界面层成功改善了锌沉积行为：其多孔结构和配位环境能够引导 Zn²⁺ 均匀沉积，显著抑制枝晶的形成。
- 有效抑制副反应：ZIF-7/SA 层隔绝了水分子与 Zn 电极的直接接触，减少了氢析出和腐蚀反应，提高了电池库仑效率。
- 循环稳定性大幅提升：ZIF-7/SA 修饰电极在对称电池和全电池中均表现出超长循环寿命和优异的倍率性能。
- 理论计算支持机理：AMS-BAND 计算结果表明 ZIF-7/SA 拥有良好的 Zn²⁺ 传导能力，且有利于均匀成核沉积，为实验结果提供了坚实的理论依据。
总体而言，该研究展示了通过 MOF 提升水系锌金属电池性能的可行性，为高安全性、高寿命储能体系的发展提供了新思路。未来，该策略有望推广至其他金属电池体系（如镁、铝电池）。AMS-BAND 在计算大体系、骨架结构材料方面，会具有一定的优势。
参考文献
- Wu G, Yang W, Yang Y, et al. Zinc-Ion Conductive Metal–Organic Framework Interfaces for Comprehensive Anode Protection in High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries. ACS nano, 2025, 19(19): 18244-18255. DOI: 10.1021/acsnano.4c18162
撰稿人：胡钧员老师