点赞！轻工学院本科生在中国工程院院刊能源分刊发表SCI论文

日期：2025-12-05 | 阅读次数：

近日，轻工科学与工程学院2022级轻化工程专业本科生韩意童作为论文第一作者，在中国工程院院刊能源分刊《Frontiers in Energy》上发表SCI论文，青年教师杨磊鑫、方纾为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位。

随着全球能源需求持续增长与“双碳”目标稳步推进，低成本、高安全性的储能技术已成为当前研究热点。水性锌离子电池（AZIBs）凭借锌资源储量丰富、理论容量高、氧化还原电位低以及电解液不可燃等显著特性，被认定为下一代储能系统的重要候选方案。但锌阳极的不稳定性是制约其商业化进程的关键因素，具体体现为枝晶生长、界面副反应及析氢腐蚀等问题。文章对锌阳极稳定策略的最新研究进展进行了系统总结，主要涵盖人工固体电解质界面（SEI）层、电解液改性、仿生设计及结构优化四大方向，旨在为解决 AZIBs 发展中的核心瓶颈提供全面参考。

图1.梳理锌基电池的发展时间线。

在水性电解质体系中，锌阳极面临的核心挑战可明确归纳为三大类：锌枝晶生长、自腐蚀反应与析氢反应。其中，锌枝晶的产生根源在于锌离子（Zn2+）在阳极表面的分布存在不均现象——这一情况会直接导致局部离子浓度梯度加剧，而锌离子在电场作用下会优先沉积于阳极表面的高曲率区域，逐步形成树枝状的晶体结构。此类枝晶在生长过程中可能穿透电池隔膜，最终引发电池内部短路，严重影响电池安全性。通过扫描电子显微镜的观测结果可知，锌枝晶在不同尺度下呈现出多样化形态，包括层状、棒状及羽状分支等，其生长过程受到离子浓度梯度、电场分布与机械应力场三者动态耦合作用的共同影响。除此之外，锌阳极在弱酸性电解质环境中极易发生自腐蚀反应：该反应会消耗电池内部的活性物质，同时生成氢氧化锌、碱式硫酸锌等腐蚀产物，这些产物会附着并覆盖在阳极表面，不仅导致阳极发生钝化，还会显著增大界面阻抗。而析氢反应则主要发生在电池高倍率充放电的过程中，反应产生的氢气气泡会阻碍锌的均匀沉积，同时进一步加速多孔副产物在体系内的积累，对电池性能造成多重负面影响。

图2. 锌枝晶的形成机理及微观结构。

为解决锌阳极面临的枝晶生长、自腐蚀及析氢反应等问题，2022级轻化工程专业本科生韩意童在老师的指导下，开发了包括人工 SEI 层构建与仿生策略在内的多种保护方案，两类方法均通过优化界面特性实现对锌阳极的高效保护。其中，人工 SEI 层构建是应用广泛的核心策略，其核心逻辑是在锌阳极表面构筑一层物理屏障，以此隔绝电解质与阳极的直接接触，进而从源头抑制各类副反应的发生。根据组成成分的差异，人工 SEI 层可划分为无机、有机及有机-无机复合三大类型：无机 SEI 膜如锌铁氰化物（ZnHCF），通过“蚀刻-成核-生长”机制在锌表面形成，厚度仅 1 微米，既能有效阻断水分子渗透，又可借助自身离子通道和亲锌基团促进 Zn2+均匀沉积；有机 SEI 层例如聚酰胺（PA）与聚乙烯醇缩丁醛（PVB），凭借分子结构中丰富的官能团调控 Zn2+扩散动力学，同时利用自身柔韧性适配阳极在充放电过程中的体积变化；有机-无机复合SEI层如 PVA@SR-ZnMoO4，则兼具有机组分的柔性与无机组分的稳定性，能同步实现枝晶生长抑制与副反应阻断。而理想的人工 SEI 层需满足化学稳定性强、表面覆盖完整、离子传导具有选择性、与阳极附着力佳及机械柔韧性优良等关键要求。

图3.HB-ZnHCF的作用机理示意图。

近年来，在学校“先锋计划”的引领下，轻工科学与工程学院全面落实立德树人根本任务，聚焦“思政铸魂”、“本科强基”两个行动计划，构建了师资培育与学生成才双向赋能的育人体系，成效显著。一方面，学院扎实推进师资队伍建设“五个一”工程，与学校青年教师成长支持计划同频共振，从科研项目申报、学术交流平台搭建、校企合作资源对接等多方面为青年教师精准赋能，助力其快速夯实科研基础、提升学术水平；另一方面，学院严格落实学校本科生进实验室、进科研团队、进科研项目的“三进”政策。由学院青年教师悉心指导、本科生全程参与完成的研究成果所形成的该文章，凭借其突出的创新性与实践价值，成功被美国科学促进会（AAAS）主办的全球科技新闻服务平台 EurekAlert！专题报道（https://www.eurekalert.org/news-releases/1103765），这既是对师生协同科研成果的高度认可，更彰显出学院深入落实学校“先锋计划”的显著成效。

图4. EurekAlert！专题报道图。

未来，轻工学院将进一步深入贯彻落实学校第四次党代会精神，深入落实学校“先锋计划”，持续优化支持青年师生发展机制，为青年教师搭建更广阔的科研创新与职业发展平台，不断完善本科生科研实践培养体系，依托学校创新创业孵化平台、跨学科科研团队等资源，为学生提供更优质、更充足的创新实践机会，全方位培养拔尖创新人才，全力推动更多原创性、突破性成果的产出，为学校全面建设多科性特色化高水平研究型大学注入强劲动力、贡献轻工力量！

文献链接：https://doi.org/10.1039/D5EE01408E