因其安全的水相电解液、地壳储量丰富的锌元素、较高的质量能量密度（820 mAh/g）和较低的氧化还原电势（‒0.76 V）等优点，近年来水系锌离子电池的研究备受瞩目。然而，锌金属负极循环稳定性较差的缺点严重影响了水性锌离子电池的应用潜力。当前，构筑人工保护层的修饰方法被认为是提高锌金属负极循环稳定性最有效的策略之一。

在金属防腐领域，通过镀锌钝化处理，商用镀锌钢的耐腐蚀能力在原位生成钝化膜的保护下可以得到大幅提升。尽管基于低毒性三价铬的镀锌钝化技术已经应用许多年，但是三价铬转化膜（TCCF）作为一种人工“固态电解质界面膜（SEI）“在储能电池领域的应用却鲜有报道。

为了解决锌金属负极循环稳定性较差的问题，中山大学化学工程与技术学院刘胜副教授课题组提出采用镀锌钝化策略，即简单的三价铬钝化液浸泡法，在锌金属负极表面原位构筑了一层三价铬转化膜，并揭示了其作为人工固态电解质界面膜在水系锌离子电池中的工作原理（图1）。

图1. 锌金属负极镀锌钝化处理及其在充放电过程中表面形态变化的示意图.

理论计算和实验结果证明：锌金属负极上的三价铬转化膜可以为锌离子的均匀沉积提供大量的亲锌位点，并显著降低锌离子去溶剂化的活化能（38.0 kJ/mol）和锌沉积的成核超电势（在1 mA/cm²和1 mAh/cm²下仅有6.9 mV）。组装成水系锌离子电池时，不对称结构的TCCF@Zn||Cu电池在3 mA/cm²和1 mAh/cm²条件下循环1600次过程中可达到平均库伦效率99.7%，对称结构的TCCF@Zn电池展现了较小的电压滞后（不超过30 mV）和优异的循环寿命（在0.2、2和5 mA/cm²下超过2500小时（图2a-2c），在10 mA/cm²下超过1200小时。以常用的V₂O₅为正极，组装成Zn||V₂O₅全电池，在3 A/g电流密度下循环3000圈其可逆比容量仍可保持在118.5 mAh/g，容量保持率达53.4%（图2d）。而在相同条件下，未经修饰的锌金属负极组成的全电池仅获得59.7 mAh/g的可逆比容量和25.7%的容量保持率。

图2. 对称结构TCCF@Zn||TCCF@Zn电池循环性能图：(a) 0.2 mA/cm² 和 0.2 mAh/cm², (b) 2 mA/cm²和1 mAh/cm², (c) 5 mA/cm²和1 mAh/cm². (d) TCCF@Zn||V₂O₅全电池长循环性能图.

这项工作验证了一种高效、工业上可用且低成本的三价铬钝化策略，可以用于制备不易生长枝晶的锌金属负极，为推动水系锌离子电池实用化提供重要的理论和实验基础。

该研究成果以Research Article的形式发表在国际顶级期刊Advanced Materials上，标题为An Industrially Applicable Passivation Strategy for Significantly Improving Cyclability of Zinc Metal Anodes in Aqueous Batteries。独立通讯作者为中山大学化学工程与技术学院刘胜副教授，论文第一作者为本学院2021级硕士研究生吴鹏。

感谢中山大学“百人计划“启动经费的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306601