水系锌离子电池（AZIBs）凭借低成本、高体积容量和本质安全性，成为下一代储能系统的热门候选者。但锌枝晶生长、析氢反应及界面钝化等问题，严重制约其长循环稳定性和商业化进程，尤其在高倍率、深度循环场景下挑战更为突出。

近日，河北工程大学贺禹森、常国庆和新加坡国立大学/清华大学Seeram Ramakrishna院士团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为《Nickel-doped Zinc Oxide as a Zincophilic Three-Dimensional Host for Aqueous Zinc Batteries》的最新研究成果。该工作提出了一种简单可规模化的设计策略，通过静电纺丝与水热合成相结合的方法成功制备出锚定在多孔氮掺杂碳纤维上的Ni掺杂ZIF-8衍生ZnO复合材料（Ni@ZnO@PNCF）作为一种自支撑柔性锌金属负极集流体。

图1 Ni@ZnO@PNCF的理性设计与理论计算验证

图1展示了通过构建自支撑多孔导电Ni@ZnO/PNCF基体，以解决传统锌负极在镀锌过程中因Zn²⁺分布不均引起的枝晶生长与析氢等问题，从而实现均匀的离子流引导与无枝晶锌沉积。理论计算表明，镍掺杂将Zn²⁺吸附能从纯ZnO的0.72 eV显著提升至2.42 eV，增强了基体对锌离子的锚定能力。态密度与电荷密度差分分析显示，Ni 3d轨道与O 2p轨道发生强杂化，形成高效的电子传输通道，促使Zn²⁺优先吸附于Ni-O桥位点。此外，Ni@ZnO表现出更优的去溶剂动力学，其完全去溶剂能仅为1.75 eV，低于ZnO的1.95 eV，同时具备0.284 eV的超低Zn²⁺迁移能垒。这些特性共同从热力学和动力学角度促进了快速、稳定的锌沉积与剥离行为。

图2 Ni@ZnO@PNCF制备与形貌表征

图2展示了Ni@ZnO@PNCF复合材料的制备过程与结构特征。该材料通过静电纺丝结合碳化获得多孔碳纳米纤维支架，随后经水热生长镍改性ZIF-8前驱体并最终碳化制得。微观结构分析表明，材料从多孔纤维逐渐演变为表面均匀负载Ni@ZnO纳米颗粒的复合形貌，高分辨透射电镜证实了氧化锌晶体具有清晰的晶格条纹。元素面分布结果显示Ni、Zn、C、N和O在结构中均匀分布，成功验证了Ni在ZnO晶格中的掺杂。这种分级结构设计融合了电纺纤维的高比表面积与镍掺杂氧化锌的亲锌特性，有效优化了锌离子的沉积行为，从而显著提升了水系锌离子电池的循环稳定性。

图3 Ni@ZnO@PNCF材料的接触角测试与原位光学显微镜图

图3系统分析了Ni@ZnO@PNCF在提升亲锌性和调控锌沉积行为方面的作用。接触角测试表明，当镍掺杂浓度为0.2时材料表面润湿性最佳，显著促进了电解液的渗透和界面离子传输。结合光学显微图像可见，其分级多孔结构与均匀分布的活性位点为锌离子提供了快速扩散和均匀沉积的通道。锌沉积对比实验进一步证实，Ni@ZnO@PNCF电极表面形成了致密无枝晶的锌层，显著增强了界面稳定性，这归因于复合结构对锌离子通量的均质化调控。浓度梯度实验表明，Ni@ZnO@PNCF-0.2在不同电流密度下均能维持完整的结构和一致的沉积形貌，而高负载下的沉积也呈现均匀致密特征，表明适度镍掺杂在调控界面亲锌性与电荷分布中的关键作用。

图4 Ni@ZnO@PNCF作为锌负极集流体的电化学性能表征

图4为不同镍掺杂量Ni@ZnO@PNCF对称电池的电化学性能。结果表明，最佳掺杂量X=0.2的电极在0.5-2 mA cm⁻²电流密度范围内表现出最小的电压迟滞，仅为32.2 mV，同时在1 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下实现99.5%的库仑效率。塔菲尔曲线证实其腐蚀电流密度低至2.94 mA cm⁻²，显著优于纯锌电极的7.52 mA cm⁻²，体现出优异的耐腐蚀性。该电极在50 A g⁻¹和100 A g⁻¹高倍率下仍分别保持382 mAh g⁻¹和297 mAh g⁻¹的高比容量。动力学分析进一步显示，Ni@ZnO@PNCF负极具有更低的Zn²⁺去溶剂化活化能和更低的锌沉积过电位，分别为15.731 kJ mol⁻¹和34 mV，均显著优于纯ZnO电极，表明其能有效提升离子转移动力学并降低沉积能垒。

图5 基于Ni@ZnO@PNCF负极的全电池性能表征

图5为基于Ni@ZnO@PNCF-0.2复合锌负极与V₂O₅正极构建的全电池的电化学性能。该电池展现出高度可逆的氧化还原反应，其氧化还原峰电位差仅为380.7 mV，且电荷转移电阻低至62 Ω。在1 A g⁻¹电流密度下循环1000次后，电池容量保持率高达87%，对应的比容量为355 mAh g⁻¹。在5 A g⁻¹的高倍率下，5000次循环后仍能保持160 mAh g⁻¹的稳定容量，在1 A g⁻¹和5 A g⁻¹下可分别提供350 mAh g⁻¹和278 mAh g⁻¹的高比容量。此外，采用V₂O₅@CC正极组装的柔性软包电池在1 A g⁻¹下循环200次后，容量保持为255 mAh g⁻¹，库仑效率始终维持在99%以上，表明Ni@ZnO@PNCF锌负极集流体在全电池体系中具有卓越的循环寿命、优异的倍率性能及良好的实用化前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173142

人物简介：贺禹森，博士，河北工程大学副教授，引进“青蓝学者”骨干人才，研究方向为锂/钠/锌二次电池关键材料的制备与储能机制研究，相关成果发表在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、Journal of Colloid and Interface Science等期刊。申请国家发明专利4项，授权1项。主持和参与国家、省、市级课题项目多项。中国国际大学生创新大赛国赛评审专家，河北省创新大赛优秀创新创业导师，以第一指导教师获中国国际大学生创新大赛国赛铜奖2项、国家级大学生创新创业训练计划项目2项、“挑战杯”河北省大学生创业计划竞赛一等奖等共计20余项。