采用天然矿物调控电化学界面获得长寿命水系锌离子电池（AZIBs）对于推动AZIBs储能应用具有重要的科学价值和现实意义。为此，中国科学院兰州化学物理研究所资源化学与能源材料研究中心电化学储能研究团队针对长寿命水系锌离子电池开展系统性研究。

图1.蒙脱石保护锌阳极机理。

前期，团队联合西北民族大学光电器件及量子信息研究团队采用黏土矿物材料表面工程调控策略，将天然蒙脱石（MMT）作为保护涂层沉积到锌箔表面，设计构筑出MMT@Zn复合阳极。电化学研究结果显示，MMT@Zn||MMT@Zn对称电池在0.5 mA cm^-2、0.125mAh cm^-2条件下循环寿命超5600小时，在5mA cm^-2、1.25mAh cm^-2的苛刻条件下仍稳定循环1800小时以上；MMT@Zn||V₂O₅全电池在2A g^-1电流密度下循环3000次后仍保持稳定比容量，同时展现出优异的倍率性能与抗自放电能力。相关研究工作以“A surface engineering strategy for the stabilization of zinc metal anodes with montmorillonite layers toward long-life rechargeable aqueous zinc ion batteries”为题发表在 Journal of Energy Chemistry上（2025,100,94-105,IF=14.90）。

图2. Zn²⁺在裸Zn阳极和MDS@Zn阳极上的沉积示意图。

图3. (a) MDS的静电势（ESP）分布图。(b) 电化学石英晶体微天平（EQCM）测试中，有无MDS层时电镀过程的质量变化图。(c) 基于电荷转移电阻计算的裸锌和MDS@Zn阳极的活化能。(d)、(e)、(f) 分别为Zn²⁺、H₂O和SO₄^2–在裸锌和MDS阳极（002）晶面上的吸附能图。(g) 裸锌阳极和 (h) MDS@Zn阳极在10mA cm^–2电流密度下锌沉积过程的原位光学显微镜图像。

在上述研究工作基础上，为进一步拓宽Zn²⁺的传输通道、实现“亲锌疏水”和Zn（002）晶面沉积的有效调控，研究团队通过双十二烷基二甲基溴化铵（DDAB）插层MMT成功制备出MDS改性黏土矿物材料，并将其均匀涂覆于锌箔表面构筑出MDS@Zn复合阳极。研究结果表明，MDS涂层不仅能够有序引导Zn²⁺传输、促进(002)晶面择优沉积，且能有效阻隔电解液与锌负极之间的直接接触，继而显著抑制锌枝晶生长、析氢反应及腐蚀副反应。DFT计算证明，MDS对Zn²⁺、H₂O和SO₄^2–表现出更强的吸附能，进一步验证了其优异的电化学界面调控能力。电化学研究表明，MDS@Zn对称电池在2mA cm^–2和1mAh cm^–2条件下可实现超过3620小时的稳定循环，在5mA cm^–2的高电流密度下仍能连续运行3800小时。MDS@Zn||Cu半电池在1mA cm^–2和1mAh cm^–2条件下循环3600小时后，平均库仑效率高达99.5%。此外，基于MDS@Zn负极与VO₂正极构建的全电池在2.5A g^–1下经历1300次循环后，容量保持率仍达95.5%，展现出优异的循环稳定性和应用前景。

相关研究工作以“A Modified Montmorillonite Coating Strategy for Stable Zinc Anodes with Enhanced Ion Transport Kinetics in Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在Renewables（中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊，DOI: https://doi.org/10.31635/renewables.025.202500106）上。兰州化物所为第一完成单位，兰州化物所和西北民族大学联培硕士生王文博、兰州化物所王柯硕士研究生为该论文的共同第一作者，兰州化物所马鹏军副研究员、杨兵军副研究员、张旭助理研究员为共同通讯作者。

上述研究得到了国家自然科学基金面上项目、中国科学院西部青年学者项目、甘肃省自然基金重点项目、兰州市青年科技人才创新项目、兰州市城关区科技计划人才创新创业类项目和兰州化物所青年科技工作者协同创新联盟合作基金项目的支持。