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  在可充電鋅離子電池（AZIBs）領域，鋅金屬負極的表面形貌問題成為制約其發(fā)展的關鍵瓶頸。盡管AZIBs憑借高安全性、低成本和理論容量（820 mAh g^-1）等優(yōu)勢受到廣泛關注，但其鋅負極在循環(huán)過程中會出現(xiàn)三大核心問題：一是不均勻的電場分布導致鋅枝晶生長，可能穿透隔膜引發(fā)短路；二是不溶性副產(chǎn)物積累造成界面阻抗增加，降低電荷傳輸效率；三是析氫反應（HER）與鋅沉積競爭活性位點，導致庫侖效率下降和電解液持續(xù)損耗。這些因素協(xié)同作用導致電池容量快速衰減，循環(huán)壽命低，極大限制了AZIBs的商業(yè)化進程。

  針對上述問題，本研究提出了一種創(chuàng)新策略：開發(fā)強韌纖維素納米纖絲（CNF）/MXene離子-電子雙導水凝膠膜，并將其作為鋅離子電池負極界面層以抑制枝晶生長。該薄膜展現(xiàn)出卓越的力學特性：面內(nèi)韌性高達18.39 MJ m^-3，面內(nèi)和面外楊氏模量分別達到0.85 GPa和3.65 GPa，從而為鋅陽極界面提供了有效的力學限域約束，顯著抑制枝晶的生長。同時，該薄膜對Zn²⁺表現(xiàn)出高結合能（1.33 eV）和低遷移能壘（0.24 eV），有效促進了Zn²⁺的均勻沉積，從而顯著提升了電池的庫侖效率。電化學測試進一步表明，MXene-CNF|Zn電極的HER起始電位為-0.21 V（相對于Zn2?/Zn），較裸鋅電極的-0.11 V顯著負移，表明該界面層能有效抑制析氫反應，大幅提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性。基于MXene-CNF|Zn陽極的Zn||MnO?全電池在0.2 A g?1電流密度下展現(xiàn)出323 mAh g?1的高比容量，即使在3 A g?1的高倍率條件下循環(huán)2000次后，仍能保持92.8%的容量保持率，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。研究結果表明，該強韌CNF/MXene離子-電子雙導水凝膠膜界面層有效調(diào)控鋅負極表面“應力/應變場-離子場-電子場”的多場分布，有效抑制了鋅枝晶的無序生長，顯著提升電池循環(huán)穩(wěn)定性；該多場耦合策略為解決鋅金屬電池枝晶難題提供了新思路和新方法，對其它金屬負極體系的界面設計具有借鑒意義。

圖1 Zn²⁺在裸鋅和MXene-CNF|Zn負極上的沉積行為示意圖

圖2 MXene-CNF水凝膠膜本征性能表征

圖3 MXene-CNF|Zn負極電化學性能

圖4 MXene-CNF|Zn對稱電池和半電池電化學性能

圖5 Zn²⁺在MXene-CNF|Zn負極的沉積行為研究

圖6 Zn||MnO?和Zn||V₂O₅全電池性能

  相關研究成果以“Tough MXene-Cellulose Nanofibril Ionotronic Dual-Network Hydrogel Films for Stable Zinc Anodes”為題發(fā)表在ACS Nano。中國海洋大學田維乾/王煥磊、北京林業(yè)大學許鳳、青島大學張利鳴以及瑞典皇家理工學院Mahiar Max Hamedi為該論文的共同通訊作者，中國海洋大學碩士研究生劉孟宇為該論文的第一作者。2024年安塞姆佩恩獎獲得者Lars W?gberg和MXene的發(fā)明者Yury Gogotsi深度參與該工作并提供指導。

  論文信息：

  Mengyu Liu, Liming Zhang*, Jowan Rostami, Teng Zhang, Kyle Matthews, Sheng Chen, Wenjie Fan, Yue Zhu, Jingwei Chen, Minghua Huang, Jingyi Wu, Huanlei Wang*, Mahiar Max Hamedi*, Feng Xu*, Weiqian Tian*, Lars W?gberg, Yury Gogotsi. Tough MXene-Cellulose Nanofibril lonotronic Dual-Network Hydrogel Films for Stable Zinc Anodes. ACS Nano, 2025.

  https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01497