界面吸附工程实现锌负极库伦效率 99.9%

水系锌金属电池因采用不可燃电解液及高理论容量锌负极，被视为可持续储能系统的理想候选者。然而，锌在充放电过程中的界面反应易受水环境干扰，导致枝晶生长与析氢等副反应频发，严重制约了锌反应的 reversibility（可逆性）。为维持电池稳定性，传统方案往往需过量补充锌金属，致使全电池能量密度难以突破瓶颈。

现有改善策略主要聚焦于电解液改性或固体界面设计。前者通过“少水”电解液抑制水活性，虽能提升库伦效率，却因粘度增加与成本高昂而受限；后者则尝试通过涂层或基底调控锌离子通量与电场分布，但多仅间接影响水反应，难以在常规水系电解液中实现高可逆性。理论表明，金属沉积与析氢反应（HER）均高度依赖基底的电子结构，尤其是d带中心位置对吸附能的调控作用。

无定形铜界面构建：同步增强锌吸附与抑制析氢

本研究提出一种界面吸附工程策略，通过化学刻蚀与原位重构，在普通铜基底表面构建富含长程无序结构的无定形铜层，并局部修饰弱晶态纳米区。该改性铜界面不仅显著提升了对锌原子的亲和力（zincophilicity），还增强了对氢中间体的吸附，从而抬高其脱附能垒，有效抑制析氢反应。得益于d带中心上移带来的电子结构优化，锌成核与生长过程更为均匀，同时析氢动力学被大幅延缓。

实验结果显示，在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²（锌反应比33.3%）条件下，改性铜基底可稳定运行2540小时，平均库伦效率达99.91%；在更高电流密度2 mA cm⁻²/2 mAh cm⁻²（66.7%锌反应比）下，仍可持续1770小时，效率保持99.84%。相比之下，普通铜基底在相同条件下仅能维持数百次循环，且效率普遍低于99.3%。

高锌利用率与全电池性能突破

得益于优异的界面调控能力，基于该改性铜负极的全电池在低负/正极比（N/P=1.2，对应83.3%锌利用率）下，可稳定循环超过250次，能量密度高达188.3 Wh kg⁻¹，显著优于商用水系电池。原位光学显微镜观测证实，改性界面下锌沉积均匀平整，无气泡产生；而普通铜表面则出现局部突起与枝晶，伴随明显析氢现象。

深入机理分析表明，改性铜表面的无定形结构降低了锌成核势垒（活化能从55.7 kJ mol⁻¹降至47.25 kJ mol⁻¹），并促进[ Zn(H₂O)₆]²⁺簇的脱溶剂化过程。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，单个锌原子在无定形铜表面的吸附能达-1.85 eV，显著低于普通铜晶面（-1.53 eV至-1.38 eV），且电荷重分布更利于均匀沉积。同时，析氢反应阻抗显著提升，Tafel斜率从279.5 mV dec⁻¹增至562.8 mV dec⁻¹，证实副反应被有效抑制。

国内水系电池研发正加速向高能量密度与长寿命方向迈进，此类界面工程策略为突破锌负极利用率瓶颈提供了可复制的技术路径。通过精准调控基底电子结构与表面形貌，无需复杂电解液体系即可实现高性能运行，有望推动我国在下一代安全储能领域的产业化进程。