催化学报

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三相铋基异质界面调控实现1650 h循环寿命的高功率锌-空气电池

代玲玉a, 周本基a, 徐能能a,*, 彭芦苇c,*, 刘鹤鸣d, 郭正晓d,*, 乔锦丽a,b,*   

  1. a东华大学环境科学与工程学院, 先进纤维材料国家重点实验室, 上海 201620;
    b上海污染控制与生态安全研究院, 上海 200092;
    c香港理工大学应用物理系, 香港;
    d香港大学化学系, 香港
  • 收稿日期:2025-10-29 接受日期:2025-10-29
  • 通讯作者: *电子信箱: nengnengxu@dhu.edu.cn (徐能能), reedpeng1993@126.com (彭芦苇), zxguo@hku.hk (郭正晓), qiaojl@dhu.edu.cn (乔锦丽).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2022YFE0138900); 国家自然科学基金(21972017).

Triphasic Bi heterointerfaces drive cycling exceeding 1650 h and high-power zinc-air batteries

Lingyu Daia, Benji Zhoua, Nengneng Xua,*, Luwei Pengc,*, Heming Liud, Zhengxiao Guod,*, Jinli Qiaoa,b,*   

  1. aState Key Laboratory of Advanced Fiber Materials, College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China;
    bShanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China;
    cDepartment of Applied Physics, Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hongkong, China;
    dDepartment of Chemistry, University of Hong Kong, Hong Kong, China
  • Received:2025-10-29 Accepted:2025-10-29
  • Contact: *E-mail: nengnengxu@dhu.edu.cn (N. Xu), reedpeng1993@126.com (L. Peng), zxguo@hku.hk (Z. Guo), qiaojl@dhu.edu.cn (J. Qiao).
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China (2022YFE0138900) and the National Natural Science Foundation of China (21972017).

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摘要： 可充电锌-空气电池因兼具高能量密度、资源丰富、成本低廉以及水系体系固有的安全性, 被认为是大规模储能极具潜力的候选技术. 然而, 在实际运行过程中, 锌负极易发生枝晶生长、析氢副反应以及界面腐蚀等问题, 显著削弱其电化学可逆性, 成为制约该体系实际应用与商业化发展的关键瓶颈. 现有改性策略中, 碳基涂层虽被广泛用于调控锌沉积行为, 但其与金属锌之间的界面结合力有限, 在长期循环及体积变化条件下易发生剥离, 导致保护效果衰减. 相比之下, 铋基材料能够有效提高析氢反应能垒, 并诱导Zn(002)晶面的择优取向生长, 在抑制枝晶方面展现出独特优势. 然而, 对于由Bi0, Bi-Nx配位结构与Bi2O3组成的多相体系, 其在锌成核、生长调控及长期稳定性方面的协同作用机制仍缺乏系统认知, 限制了相关界面工程策略的理性设计.
针对上述问题, 本文提出并构建了一种三相铋基异质界面涂层(s-Bi2O3/Bi-NC), 通过精确的界面工程手段, 将金属铋(Bi0)、原子级分散的Bi-Nx配位位点以及Bi2O3纳米晶在空间结构与电子结构层面高度集成于氮掺杂介孔碳导电骨架之中. 该设计旨在构建一个多功能、多尺度协同的界面微环境, 以实现对锌沉积过程热力学驱动力与动力学传输行为的协同调控. 结合密度泛函理论计算与系统实验表征, 深入揭示了该三相异质界面的作用机制. 理论结果表明, Bi2O3/Bi异质界面具有显著的亲锌特性, 可有效降低锌初始成核能垒, 从热力学层面促进均匀的形核行为; 与此同时, 原子级分散的Bi-Nₓ配位位点凭借其确定的局域配位环境和调控后的d带中心, 作为能量均一的成核模板, 引导锌原子沿低能晶面进行有序外延生长, 从而在动力学层面抑制随机成核引起的表面粗化. 上述“热力学促进均匀成核”与“动力学引导平面扩散”的原子尺度协同调控机制, 实现了对锌沉积行为从初始成核到后续生长全过程的精准调节. 基于该优化界面构筑的s-Bi2O3/Bi-NC@Zn对称电池在10 mA cm-2, 1 mAh cm-2的苛刻条件下实现了超过520 h的稳定循环. 当其应用于锌-空气电池体系中时, 在5 mA cm-2的工作电流密度下展现出超过1650 h的长循环寿命, 峰值功率密度高达829.3 mW cm-2.
综上, 本工作通过构建三相铋基异质界面, 有效协同抑制了锌负极的枝晶生长与副反应, 显著提升了锌-空气电池的循环稳定性, 并从原子尺度阐明了多元组分界面协同调控锌沉积行为的内在机制. 该研究为多相金属界面协同调控电化学沉积行为提供了新的认识, 对高性能锌-空气电池及相关金属负极体系的设计具有重要参考价值.

关键词: Bi2O3/Bi异质界面, 铋单原子, 枝晶抑制, 表面修饰, 锌负极, 锌-空气电池

Abstract: Rechargeable zinc-air batteries (ZABs) suffer from poor reversibility of Zn anode due to dendrite formation and parasitic side reactions, severely limiting their practical deployment. Here we report an interfacial engineering strategy that integrates three Bi components: metallic Bi0, atomic Bi-Nx sites, and Bi2O3 nanocrystals, anchored within a nitrogen-doped mesoporous carbon framework. This triphasic Bi interphase delivers collective synergistic effects by: (1) homogenizing Zn2+ nucleation, (2) accelerating Zn plating/stripping kinetics, and (3) suppressing hydrogen evolution and interfacial corrosion. Density functional theory calculations confirm that the Bi2O3/Bi heterointerface exhibits strong zincophilicity, markedly lowering the nucleation energy barrier and enabling uniform Zn deposition. Benefiting from these collective interfacial effects, symmetric cells with s-Bi2O3/Bi-NC@Zn anodes sustain dendrite-free cycling for over 520 h at 10 mA cm-2, with negligible polarization growth. When assembled into ZABs, the engineered anodes deliver an ultrahigh power density of 829.3 mW cm-2 and an extended lifetime of 1650 h at 5 mA cm-2 with 80% voltage efficiency. This work establishes a triphasic Bi-based interfacial design as a powerful strategy to achieve highly reversible Zn anodes and offers a generalizable approach for advancing metal-based batteries.

Key words: Bi2O3/Bi heterointerface, Bi single atom, Dendrite inhibition, Surface modification, Zn anode, Zn-air battery