近年来，能源危机和环境恶化等一系列问题促进了储能系统的发展。水系锌离子电池作为一种先进的储能系统，具有较高的安全性、较低的成本以及简单的制备和回收工艺等许多优点，受到了研究人员的普遍关注。锌金属具有理论容量大、工作电压适中、资源丰富、本质安全、成本低廉等优点，被认为是最理想的锌离子电池负极材料。

然而，锌金属负极在电池充放电循环中仍然面临枝晶生长和析氢反应等关键问题。不受控制的枝晶生长会刺穿隔膜导致电池短路；析氢反应会持续消耗电解质，造成较低的库伦效率以及较差的循环稳定性。在众多可行性方案中，设计制备三维载体可以有效减小局部电流密度和均匀电场强度，抑制锌枝晶生长。此外，通过组分调控和表界面改性增强载体的亲锌性可以诱导锌的沉积行为，抑制析氢反应发生。

近日，新加坡南洋理工大学楼雄文教授和北京化工大学于乐教授合作，通过简单的胶体晶体模板法以及后续的多步拓扑反应成功地合成出了具有反蛋白石结构的三维氧化钛/锌/氮掺杂碳基（TZNC）亲锌载体，有效地调控了锌沉积过程中的成核和生长行为，抑制了锌枝晶生长和析氢反应发生。

反蛋白石亲锌载体在调控锌的沉积方面有独特的优势。首先，呈周期排列的的反蛋白石阵列可以精准地调控锌离子通量，均匀电场分布。其次，充足的内部空间有利于缓解锌金属负极在沉积和剥离过程中的体积膨胀问题。最重要的是，无定形TiO_x、Zn、N可以作为亲锌位点，可以诱导锌的成核和后续生长行为。由于其独特的空间结构和优良的亲锌性，锌离子会在TZNC载体内部优先沉积，形成光滑且均匀的颗粒状锌金属。除此之外，对锌沉积过程中电流密度分布的仿真结果也进一步表明，反蛋白石结构的TZNC载体可以减小局部电流密度。同时，TZNC孔隙内的电流密度远大于表面电流密度，这可能是锌在TZNC载体内部优先沉积的原因。

以TZNC@Zn电极组装对称电池显示出了高循环稳定性和低电压极化。在电流密度为1 mA cm^-2的情况下，TZNC@Zn电极可以稳定循环450 h以上。此外，在不同电流密度下，TZNC@Zn电极始终保持低且稳定的电压迟滞，显示出了良好的倍率性能。

基于上述结果，这种具有开放式反蛋白石结构的三维亲锌载体可以作精确调控锌的沉积和剥离行为，从而形成高电化学稳定性和高可逆性的无枝晶锌金属负极。该工作为解决锌金属负极的固有问题提供了一种新策略。

论文信息：

Formation of Super-assembled TiO_x/Zn/N-doped Carbon Inverse Opal Towards Dendrite-Free Zn Anodes

Peng Xiao Sun, Zhenjiang Cao, Yin Xiang Zeng, Wen Wen Xie, Nian Wu Li, Deyan Luan, Shubin Yang, Le Yu* and Xiong Wen (David) Lou*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202115649