近日，中南大学粉末冶金研究院李维杰教授课题组在《Nano Letters》上发表题为“A Hydrophobic Nanoconfined Interface for Anode-Free Aqueous Zinc Batteries”的研究论文。李维杰教授和中南大学材料科学与工程学院韩朝教授为共同通讯作者。

无负极金属电池以轻质集流体替代传统预置金属负极，在首次充电过程中由正极提供金属离子并原位沉积，可显著降低非活性组分的质量和体积，是构筑高能量密度储能器件的重要方向。对于水系锌电池而言，除去过量锌箔后，锌沉积/剥离的每一次不可逆损失都会直接消耗有限的活性锌库存；随机成核、枝晶生长以及水诱导的析氢、腐蚀和副产物累积因此被进一步放大，制约了无负极体系的循环寿命与实际应用。

针对上述难题，团队在商用铜箔上构筑了疏水钛酸纳米片修饰层（HTO@Cu），提出“Zn²⁺捕获—纳米限域沉积—自由水排斥”协同界面调控策略。不同于仅通过亲锌位点降低成核过电位的传统设计，HTO@Cu将局部亲锌性、受限沉积空间与整体疏水性耦合于同一界面：Ti–O/Ti–OH极性位点增强Zn²⁺亲和力并促进均匀成核；相互交织的纳米片网络将开放沉积前沿分割为微纳空间，引导Zn沿界面横向致密填充；疏水表面则降低自由水在沉积前沿的富集，从源头抑制析氢、腐蚀和副产物生成。

图1无负极水系锌电池架构及HTO@Cu界面对Zn沉积的协同调控机制

实验与理论计算共同验证了该界面的协同作用。HTO@Cu的水接触角由裸Cu的83°提高至146°，Zn²⁺沉积表观活化能由34.7 kJ mol^-1降至21.5 kJ mol^-1。DFT计算表明HTO表面对Zn具有更强吸附能力和更低表面扩散势垒；分子动力学模拟进一步显示，HTO/electrolyte界面附近的H₂O浓度显著降低，而Zn²⁺仍保持良好的可及性。上述结果说明，HTO@Cu并非以牺牲离子传输换取疏水保护，而是在抑制界面水累积的同时，优化了Zn²⁺传输与沉积动力学。

得益于均匀成核、限域生长和水诱导副反应的同步抑制，Zn||HTO@Cu半电池在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2条件下稳定循环1200圈，平均库仑效率达99.58%；在5 mA cm^-2、1 mAh cm^-2条件下平均库仑效率可达99.86%，并稳定循环超过4000圈。预沉积Zn的对称电池在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2下稳定运行超过2500 h。在以NVO为正极的全电池中，HTO@Cu||NVO严格无负极电池（N/P = 0）可稳定循环超过40圈；限锌条件（N/P = 3）下，初始放电比容量约305 mAh g^-1，120圈后仍保持约175 mAh g^-1。进一步组装的软包电池实现178.5 Wh kg^-1的比能量（以正极活性物质质量计），并可在不同弯折状态下稳定点亮LED阵列。

图2 HTO@Cu基无负极/限锌水系锌全电池及软包电池性能展示

持续深耕无负极高能量密度储能体系

本次成果是课题组面向高能量密度无负极金属电池开展系统研究的又一进展。近年来，团队围绕有限金属库存下的沉积/剥离可逆性、界面离子传输和副反应抑制等核心科学问题，已在无负极钠金属电池领域形成从平面集流体到分级集流体、从集流体到隔膜、从界面化学到多物理场调控的连续研究布局。

在集流体界面方面，团队此前在《ACS Nano》发表研究工作，通过在Cu集流体上原位构筑普鲁士蓝类似物快速Na⁺扩散中间层，兼顾Na⁺通量调控与无机富集SEI构筑，使无负极Na₃V₂(PO₄)₃全电池在5 C下稳定循环300圈；在《Energy & Environmental Science》发表的工作则利用溶剂吸附隔膜调控界面溶剂化结构，提升无负极钠金属电池的低温耐久性和Na⁺传输能力；发表于《Energy Storage Materials》的工作进一步通过多元合金工程引入磁调控作用，探索无负极钠沉积的结构—电化学协同稳定机制。近期，团队又构筑了由亲钠Cu–Sn固溶界面与分级Cu框架协同组成的应力自适应集流体（SSC）：固溶界面在提供亲钠成核位点的同时，缓解传统合金相演变带来的化学—机械应变；分级框架则均匀化局部电流分布并缓冲结构形变，协同构筑NaF富集SEI。该体系在1 mA cm^-2条件下实现超过1700圈稳定Na沉积/剥离，平均库仑效率达99.8%；匹配Na₃V₂(PO₄)₃正极的无负极全电池在1 C循环200圈后容量保持率达91.4%，软包电池在0.5 C循环200圈后容量保持率达87.9%。

从钠金属到水系锌体系，课题组持续将集流体由惰性电子导体提升为可编程调控离子、溶剂、应力与金属沉积的功能界面。上述系列研究不仅丰富了无负极电池的界面设计范式，也为兼顾高能量密度、长寿命、安全性与成本优势的新型储能器件提供了材料和机制基础。未来，团队将继续围绕高面容量、有限电解液、宽温域运行及软包化等实际应用需求，推进无负极金属电池关键材料与器件的研究。

原文链接与相关研究

原文：A Hydrophobic Nanoconfined Interface for Anode-Free Aqueous Zinc Batteries

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02924

相关研究1：In Situ Integration of Rapid Ion-Diffusion Interlayers on Cu Current Collectors toward Ultrafast Anode-Free Sodium Metal Batteries

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c05043

相关研究2：Enhancing Low-Temperature Durability and Sodium-Ion Transport of Anode-Free Sodium Metal Batteries through Utilization of a Solvent Adsorption Separator

https://doi.org/10.1039/D5EE03213J

相关研究3：Multicomponent Alloy-Engineered Interfaces for Magnetic Regulation of Sodium Deposition in Anode-Free Sodium Metal Batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104915

相关研究4：Stress-adaptive sodiation enabled by a sodiophilic solid-solution interface for long-life anode-free sodium metal batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105388

作者：谢鹏

（一审：李维杰 二审：李卉淼 三审：刘彬）