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Cu₂O/CuO 氧空位异质结保护层长效稳定锌负极技术
发布时间: 2026-07-12
基本信息
合作方式：
委托开发
成果类型：
发明专利
行业领域：
新材料产业,新能源产业,新型储能
成果介绍
本发明属于锌离子电池技术领域，公开了一种锌负极及其在锌离子电池中的应用。锌负极基底为锌材，表面涂覆功能性保护层，保护层由 Cu₂O/CuO 异质结材料、粘结剂、有机溶剂按照 7:2:1 质量比构成。Cu₂O/CuO 异质结以碱式氯化铜为前驱体、葡萄糖作还原剂，在碱性水热体系一步合成，经热水洗涤提纯；异质结界面富含氧空位，并自发形成内建电场与能带弯曲结构。
相较于单一氧化物或简单物理混合改性涂层，本成果依托多重机制协同调控锌沉积全过程。异质界面产生内建电场，加速 Zn²⁺定向迁移；界面氧空位提供高密度亲锌位点，均匀诱导锌成核；界面能带自对齐实现近零势垒电荷传输。多重效应耦合完整覆盖锌离子吸附、迁移、电荷转移、金属成核全过程，有效降低离子迁移阻抗与电荷转移阻抗，抑制锌枝晶生长与析氢副反应，实现锌负极高倍率、长循环稳定运行。
该改性锌负极制备工艺简便、原料易得，适用于各类水系锌储能电池。相关技术已申请发明专利，完成实验室电化学性能测试，技术成熟度为功能级。
成果亮点
成果针对锌离子电池锌负极枝晶滋生、副反应严重、循环稳定性差等瓶颈问题，开发富含氧空位 Cu₂O/CuO 异质结保护层改性锌负极，具备多重协同强化机制。
一是构建界面内建电场加速离子输运。Cu₂O 与 CuO 功函数差异促使费米能级重构，形成定向内建电场，推动 Zn²⁺快速迁移，有效降低离子迁移阻力。
二是利用界面氧空位优化锌沉积行为。异质半共格界面易生成氧空位，可强力吸附 Zn²⁺，构筑均匀成核位点，降低成核过电位，从源头抑制锌枝晶生成。
三是界面能带自对齐降低电荷传输势垒。异质结构实现近乎零势垒电子传递，加快电化学反应动力学，同时有效缓解析氢副反应。
三类机制相互耦合，完整覆盖 Zn²⁺从电解液至锌基底沉积的全部反应路径，突破传统涂层仅能单一调控某一环节的局限。异质结材料采用一步碱性水热法制备，合成流程简单、原料成本低廉，保护层配方易于涂布成型。改性负极可显著提升水系锌电池倍率性能与循环寿命，制备路线温和易操作，对推进高性能水系储能电池发展具有重要意义，在大规模储能、便携储能水系锌离子电池领域具备较高应用价值。
团队介绍
张丹，陕西理工大学化学与环境科学学院教授，青年汉江学者、陕西省高校科协青年人才，入选全球前 2% 顶尖科学家榜单，牵头组建电化学储能研究团队。团队长期聚焦水系锌离子电池关键界面调控技术，重点开展锌负极保护层构筑、异质结功能涂层、生物质电解液添加剂开发等研究，着力破解锌负极枝晶滋生、界面副反应突出、循环寿命不足等行业痛点。
团队形成青年教师、硕士研究生组成的稳定科研梯队，依托完备的电化学工作站、电池测试系统、微观表征平台，搭建材料制备、电化学评价、机理解析一体化科研平台。先后主持陕西省自然科学基金等多项省部级课题。
团队围绕负极界面改性开展系统创新，开发 Cu₂O/CuO 异质结保护层改性策略，利用界面内建电场、氧空位、能带耦合多重机制协同调控锌沉积行为；同时深耕天然生物质资源应用，探索大豆肽等多肽微量电解液添加剂。相关成果在AFM等顶级期刊发表多篇高水平论文，围绕锌负极、电解液体系布局多项发明专利。
研究面向大规模储能、便携式储能应用场景，持续推进低成本、长寿命水系锌电池新材料技术研发，积极推动实验室成果转化，为高性能水系储能电池产业化提供创新解决方案。
成果资料
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