钠/锌离子电池作为两种新型电池，具有良好的应用前景，然而，它们的应用仍面临几个关键挑战。2023年以来，化学与环境工程学院张培新教授团队在已有工作的基础上，围绕钠/锌离子电池正负极材料、电解质以及隔膜等关键材料开展了深入系统的研究，取得了一系列创新性研究成果。这些成果分别发表在《Advanced Materials》(中科院大类一区，影响因子IF=29.4)、《Angewandte Chemie International Edition》（中科院大类一区，IF=16.6, 2篇）、《Advanced Energy Materials》(中科院大类一区，IF=27.8)、《ACS Energy Letters》（中科院大类一区，IF=22.0, 封面文章）、《Advanced Functional Materials》(中科院大类一区，IF=19.0，2篇)、《Nano-Micro Letters》(中科院大类一区，IF=26.6，国产期刊)、《Energy Storage Materials》(中科院大类一区，IF=20.4，国产期刊)、《Journal of Energy Chemistry》(中科院大类一区，IF=13.1，国产期刊)。
1.为解决过渡金属化合物作为钠离子电池负极材料容量低和循环性能差等问题，提出了一种独特的原位功能化和自限生长方法，以V2CTxMXene为模板，设计了具有内嵌阴离子空位的VSe2-x/C面内异质结，在加硒过程中，V2CTx的碳原子层转化为超薄的导电碳，最大限度地与生成的VSe2组分面对面接触。同时，碳还原环境的自发形成削弱了V-Se键，产生了丰富的Se阴离子空位结构，双功能阴离子空位与面内异质结构之间存在多尺度的界面协同作用，缓解了体积应变，提高了Na+插层和后续转化反应的动力学和热力学。该成果发表在《Advanced Materials》（2023：2310336），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和唯一通讯单位，马定涛副研究员和研究生赵哲浩为论文共同第一作者，张培新教授和米宏伟副教授为共同通讯作者。论文链接：https://doi:10.1002/adma.202310336
2.为解决用于锌离子存储的过渡金属硫族化合物(TMDs) 存储动力学缓慢和性能差等问题，提出了一种多尺度界面结构集成调制概念，以解锁全方位存储动力学增强的多孔VSe2-x·nH2O宿主，同时还发现了一种界面吸附-插层赝电容存储机制。这项工作实现了概念上的突破，扩展了层状TMDs的界面存储极限，以构建全天候高性能锌离子电池。该成果发表在《Angewandte Chemie International Edition》（2023，62：e202304400）。太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和唯一通讯单位，博士研究生杨明为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002 / anie.202304400
3.为解决锌金属负极在水中热力学不稳定以及不可控的锌枝晶生长等问题，采用牛磺酸作为电解液添加剂，设计了一种同时调控电解液pH和原位构建负极-电解液界面的协同策略，抑制了枝晶生长和界面副反应，使锌负极在高电流密度和面积容量下展现出超高的稳定性。该成果发表在《Angewandte Chemie International Edition》（2023，62：e202311988），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为共同通讯单位，哈尔滨工业大学（深圳）博士生欧阳珂丰（张培新教授指导的硕士研究生）和陈胜为论文共同第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）黄燕教授和张培新教授为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202311988
4.为解决Zn2+传输动力学缓慢和电解质界面热力学不稳定等问题，提出了痕量添加剂介导的疏水结构编辑概念，通过向水系电解液中添加聚丙烯酸（PAA）来重建电解液Zn2+溶剂化结构并实现电极-电解液界面原位自组装。重构的Zn2+水合结构具有快速的电化学反应动力学，而电极表面界面层极大提高了水系锌金属电池体系的热力学稳定性，从而实现了宽温域的长期运行。该成果作为封面文章发表在《ACS Energy Letters 》（2023，8：5229）。太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和唯一通讯单位，研究生欧阳珂丰和李帆为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：http://10.1021/acsenergylett.3c01872
5.为“一体化”解决锌/电解质界面的副反应及枝晶生长问题，提出了双界面协同调制的设计概念，通过一步水热法，以连续优化表面织构并原位形成疏水、亲锌钝化层。这种设计的锌金属负极可极大提高全电池的倍率性能和循环稳定性，为高性能锌金属负极设计开拓了新思路。该成果发表在《Advanced Energy Materials》（2023，13：2204365），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和唯一通讯单位，研究生李帆为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202204365
6.为开发全天候快充固态电池，设计了一种新型多功能介质桥接超薄聚合物电解质，并成功应用于宽温域高性能固态锌金属电池。这种新型超薄、多重动力学增强型聚合物电解质，不仅增强了电解质膜的机械强度和界面导热性，还极大提高了Zn2+迁移数，具有良好的高温界面相容性。因此，高可逆锌金属负极的稳定工作温度能够被拓宽至-25～80℃。该成果发表在《Advanced Functional Materials》（2023，33：2307736），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和唯一通讯单位，研究生李宜姝为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307736
7.为解决锌离子电池超小型纳米结构阴极合成过程复杂且难以规模化生产等问题，提出了一种可用于解锁超快动力学电极的原位电化学非晶化机制。利用溶胶凝胶法制备的长程有序ZnV2O4晶体可以通过原位电化学激活重构为短程有序Zn0.44V2O4电极，重构后的非晶化电极展现出丰富的活性位点、低锌离子捕获势垒和超短离子扩散路径等优异性质，从而赋予电极超高的倍率性能。该成果发表在《Advanced Functional Materials》（2023，33：2304255），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为唯一完成单位，研究生沈思诚为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202304255
8. 为解决锌离子电池枝晶生长、副反应和循环稳定性能差等问题，提出了一种基于三维人工阵列界面工程的设计概念，以实现体积应力消除、优选取向生长和无枝晶稳定锌金属负极。这种工程电极不仅具有良好的耐腐蚀性和抑制析氢性，而且在速率能力和循环稳定性方面也表现出整体增强效应。该成果发表在《Nano-Micro Letters》（2023,15:37），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为唯一完成单位，研究生阮剑斌为论文第一作者，张培新教授和马定涛副研究员为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-022-01007-z
9. 针对低价钒基化合物难以平衡高比容量、高速率性能和高存储可逆性等问题，提出了一种独特的电压和溶剂化环境协同调控策略，以解锁MXene衍生的VNxOy/C异质结构作为适用于水性锌离子电池的正极材料。首先通过控制电压实现VNxOy向Zn3(OH)2V2O7·2H2O的原位相变，然后通过调控溶剂化环境实现质子屏蔽，以消除非电化学活性副产物对电极储存动力学和可逆性的阻断效应。在电压和溶剂化环境的协调作用下，低价VNxOy/C电极表现出高倍率能力和超长循环寿命的优异电化学性能。该成果发表在《Energy Storage Materials》（2023，56: 600），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为唯一完成单位，硕士研究生陈洋武和马定涛副研究员为论文共同第一作者，张培新教授为唯一通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.049.
10.为解决缓慢的Zn2+存储动力学，提出了一种新的原位自蚀刻策略，以解锁棕榈树状状氧化钒/碳纳米纤维膜（P-VO/C）作为一种独特电极，用于构建高功率耐用的水性锌离子电池。与VO/C对应物相比，这种独特的电极表现出扩展的赝电容存储行为，此外，组装的P-VO/C基水性锌离子电池，也显示出超高速率性能和优异的循环稳定性。这种结构设计实现了开发超快存储动力学电极和大功率水性锌离子电池的概念突破。该成果发表在《Journal of Energy Chemistry》（2023，88: 399），太阳成集团tyc122cc(中国)有限公司为第一完成单位和第一通讯单位，联培博士生侯爽和马定涛副研究员为论文共同第一作者，张培新教授、米宏伟副教授以及华南师范大学赵灵智教授为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/ j.jechem.2023.09.029
上述工作得到了国家自然科学基金（面上及青年基金）、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金重点项目的资助。
