鋅基水系電池（ZABs）被認為是“后鋰”時代安全和大規模儲能的有希望候選者。然而，Zn捕獲的動力學和穩定性問題仍不能同時調節，特別是在高倍率和負載條件下。

為此，復旦大學晁棟梁研究員、南京大學Pan Xue等人提出了一種分級限域策略，通過構建具有親鋅Co位點和空間限域的共嵌入碳籠（表示為CoCC）來實現高倍率和長期穩定的鋅負極。其中，鋅金屬密集地封裝在碳纖維之間的間隙和CoCC主體的中空碳籠內。Zn沉積特性可通過以下方式有效調節：

（i）親鋅Co位點作為具有低成核勢壘的首選成核位點，可定向引導Zn成核（0.5 mAh cm^-2以內起作用）；

（ii）具有高表面積的碳籠用作鋅“捕獲器”，可在空間上限制金屬鋅在籠內的均勻生長（在5.0 mAh cm^-2以內起作用）；

（iii）3D精細化的一體化框架不僅可以降低局部電流密度和均勻Zn²⁺通量，還可以緩沖長期鍍鋅/剝離過程中的巨大體積變化（12 mAh cm^-2以內起作用）。

圖1. 鋅箔、碳纖維和CoCC網絡上的Zn沉積示意圖

鍍鋅后CoCC主體的結構和形態變化闡明了Co位點和多孔碳籠在定向引導Zn 金屬的成核和空間受限沉積中的重要作用，Zn金屬鍍層的原位光學顯微鏡觀察進一步證實了CoCC框架內的空間限域效應。因此，相比于純鋅箔負極，Zn@CoCC復合負極在20 mA cm^-2的超高電流密度下能夠實現無枝晶鍍鋅/剝離，具有超過800圈的穩定循環壽命和約65 mV的低過電位。

此外，基于Zn@CoCC復合負極組裝的全電池在2000 mA g^-1的超高電流密度下仍可提供高達2000圈的長循環壽命，表明其出色的耐用性和可靠性。最后，作者基于有限元（FEM）模擬和第一性原理理論計算從理論層面闡釋了空間限域效應。總之，這項工作為進一步研究用于穩定金屬負極的先進主體設計和構建提供了啟示，并促進下一代高性能水系電池的發展。

圖2. 含CoCC的水系ZAB的原位光學觀察和電化學性能

Hierarchical Confinement Effect with Zincophilic and Spatial Traps Stabilized Zn-Based Aqueous Battery,?Nano Letters?2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01235