水系锌离子电池具有安全性高、成本低、环境友好等优点，是应对当前能源和环境危机的重要新型储能技术。然而，锌负极存在枝晶生长、析氢等不利副反应，严重阻碍了锌金属电池的实际应用。在负极表面构建保护层被认为是解决以上问题的有效手段，然而目前单一的保护层很难在较短时间内实现对大量溶剂化Zn(H₂O)₆²⁺的完全脱溶，此外，复杂的去溶剂化过程和均匀离子通量需要同时在保护层内完成，在长时间的电镀/剥离过程中，具有双重的压力的保护层一旦被击穿，锌负极就将再次暴露在水系电解液中，使保护层失效。因此，传统的保护层很难通过单层优化有效地完成Zn²⁺去溶解和均匀Zn²⁺通量的双重挑战。这导致锌负极的稳定性有限，无法突破实用锌离子电池中低N/P比的限制。

自发级联优化策略的原理示意图

鉴于此，西安交通大学化学学院丁书江教授课题组首次提出自发级联优化策略。通过自由基聚合在锌负极上构建了可自发分离-重构的保护层（PAPE@Zn）。PAPE层内含有水溶性差的聚丙烯酰吗啉（PACMO）和溶解性好的聚氧化乙烯（PEO）。在电解液的诱导下，PEO可自发分离到本体电解液中与H₂O相互作用，从而对锌离子的溶剂化结构实现初步调控，并且降低了PACMO层的脱溶剂化压力，从而提高了其稳定性，实现了初级优化。与此同时，溶解性差的PACMO在锌负极上重构为疏水的花状阵列结构，该阵列具有丰富的亲锌位点，可进一步促进Zn²⁺脱溶并有效的均匀锌离子通量，从而完成二级优化。使用PAPE@Zn的对称电池在1 mA cm^-2下实现了4000小时的稳定循环。基于V₂O₅的全电池可在15 A g^-1的高电流密度下实现大于12000次的超长循环。在0.6的超低N/P比和高负载量（约17 mg cm^-2）下可稳定循环1000次，累积容量达2.32 Ah cm^-2。级联优化策略将负极保护拆分为两个目标，通过逐步优化实现了锌离子电池性能的全面提升，为锌负极保护层的结构设计提供了新的见解，同时也有望应用于其他金属电池的研究。

该研究成果以《通过自发级联优化策略调节锌离子迁移-扩散行为实现长寿命和低N/P的锌离子电池》(Regulating Zn²⁺Migration‐Diffusion Behavior by Spontaneous Cascade Optimization Strategy for Long‐Life and Low N/P Ratio Zinc Ion Batteries)为题发表于化学领域国际权威期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。第一作者为西安交通大学化学学院博士生封婕，化学学院博士生李新阳为文章的共同第一作者，通讯作者为化学学院丁书江教授和赵洪洋助理教授，该工作得到了国家自然科学基金和陕西省秦创原创新人才计划项目的资助。论文的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407194

丁书江教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/dingsj