水系锌离子电池因其高安全性、低成本及高离子电导率而备受关注。其中，锌-碘电池凭借碘正极独特的双电子转移机制，展现出高能量密度和快速反应动力学的潜力。然而，该体系面临两大核心科学挑战：一是锌金属负极在水系电解液中易发生枝晶生长、析氢和钝化等不可逆副反应；二是正极侧产生的可溶性多碘化物（如 I₃⁻）会穿过隔膜，腐蚀锌负极并引发“穿梭效应”，导致活性物质损失、电池库仑效率降低和循环寿命急剧衰减。因此，如何同时稳定锌负极并抑制多碘化物穿梭，是实现高性能、长寿命锌-碘电池的关键。2026年03月24日，武汉理工大学麦立强教授、华中农业大学罗艳珠副教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“Zincophilic Nanowire Array With Hydrophobic Iodine Elimination Layer for Ultrastable Zinc-Iodine Battery”的研究论文。本研究提出并构建了一种具有“亲锌性”与“疏碘性”双向协同效应的复合锌负极（PVDF-ZnOHF@Zn）。该电极通过原位水热法在锌箔表面生长出高度有序的 ZnOHF 纳米线阵列，作为亲锌导电骨架，再在其上均匀涂覆一层聚偏氟乙烯（PVDF）作为疏碘保护层。研究通过 SEM、TEM、XRD、XPS 等表征手段证实了该复合结构的成功构建。DFT 计算、TOF-SIMS 和原位 Raman 等测试揭示，PVDF 层能有效排斥多碘化物，阻止其与锌基体接触；同时，3D ZnOHF 纳米线阵列能优化界面电场和离子流分布，引导锌离子均匀沉积。这种协同设计使得对称电池在 10 mA cm⁻² 下稳定循环超 600 小时，组装的锌-碘全电池更是实现了创纪录的 35 万次循环，单圈容量衰减率低至 0.00011%，为开发超快充、超稳定的水系锌-碘电池提供了全新的思路。【图文解读】
图1：PVDF-ZnOHF@Zn 电极的制备与结构表征图1 展示了“亲锌核-疏碘壳”结构的构建过程与形貌特征。图1a 的制备流程揭示了该设计的核心：ZnOHF 纳米线作为亲锌骨架，PVDF 作为疏碘屏障。图1b-d 的高分辨透射电镜（HRTEM）与选区电子衍射（SAED）图像确认了 ZnOHF 纳米线的高结晶性，晶格条纹清晰对应其 (310) 晶面。STEM 与元素分布图（图1e-g）则直观显示，C 元素（PVDF）均匀包覆于 Zn 与 O 元素（ZnOHF）构成的纳米线外缘，证实了理想的核壳结构，为后续离子传导与界面保护奠定了结构基础。
图2：电极的疏水性与抗电解液腐蚀能力图2 从宏观到微观验证了 PVDF 层的保护效果。接触角测试（图2a）显示，PVDF-ZnOHF@Zn 电极的接触角高达 115.3°，显著高于裸锌和 ZnOHF@Zn，表明其优异的疏水性。浸泡实验后的 XRD 图谱（图2b-c）显示，裸锌表面出现明显的副产物衍射峰，而 PVDF-ZnOHF@Zn 电极结构保持完好。DFT 计算（图2g-i）进一步揭示，ZnOHF 对 Zn 原子具有强吸附能，而 PVDF 对 H₂O 分子吸附能最低，从理论层面解释了其引导锌沉积与抗析氢的机制。
图3：电极的抗多碘化物腐蚀能力图3 通过多种手段系统证明了 PVDF 层的“疏碘”屏障作用。DFT 计算（图3d-f）显示，多碘化物在 PVDF 表面的吸附能力弱，更倾向于自聚集，证实了其热力学上的“疏碘”特性。XPS 深度剖析（图3g-h）与 TOF-SIMS 三维成像（图3i-k）结果高度一致：在循环后的 PVDF-ZnOHF@Zn 电极中，碘元素信号仅存在于最外层，随刻蚀深度增加迅速消失；而裸锌电极中碘信号则贯穿始终。循环后 SEM 图像（图3l-m）对比鲜明，PVDF-ZnOHF@Zn 电极表面平整，裸锌表面则腐蚀严重。
图4：电极对锌沉积行为的调控图4 揭示了 3D 纳米线阵列在抑制枝晶生长中的关键作用。SEM 图像（图4a-d）显示，在相同沉积容量下，裸锌表面出现大量片状枝晶，而 PVDF-ZnOHF@Zn 电极始终保持其纳米线结构，无枝晶形成。有限元模拟（图4e-j）将这一优势可视化：相比裸锌表面电场和离子通量的严重不均，PVDF-ZnOHF@Zn 电极的 3D 结构能有效均匀化电场与离子流，消除局部“热点”，诱导 Zn²⁺ 在纳米线底部均匀沉积。原位光学显微镜（图4m）则动态捕捉到裸锌表面枝晶的持续生长，而改性电极表面始终平整。
图5：对称电池的电化学性能图5 展示了协同策略在实际电池中的性能优势。在 1 mA cm⁻² / 1 mAh cm⁻² 条件下（图5a），PVDF-ZnOHF@Zn 对称电池稳定循环超过 2000 小时，远超裸锌（<200 小时）与 ZnOHF@Zn（约 350 小时）。即使在 10 mA cm⁻² 的高电流密度下（图5b），其循环寿命仍超过 600 小时。倍率性能（图5c）表明，该电极在不同电流密度下均展现出最低的电压滞后与最佳稳定性。更重要的是，放大制备的大面积（4×5 cm²）软包对称电池（图5d）在 2 mA cm⁻² 下仍能稳定循环 1100 小时，验证了该策略的实用化潜力。
图6：锌-碘全电池的电化学性能图6 将协同策略的优越性推向了极致。倍率性能（图6c）显示，PVDF-ZnOHF@Zn 全电池在 50 C 的超高倍率下仍能提供 115 mAh g⁻¹ 的比容量。长循环测试（图6d, h）尤为瞩目：在 10 C 下循环 8000 次后容量保持稳定；在 50 C 下，电池实现了创纪录的 35 万次循环，每圈容量衰减率低至 0.00011%，代表了锌-碘电池领域的最优水平。软包电池（图6e, g）在 10.5 mg cm⁻² 的高负载和 5000 mg I₂ 的多层叠片结构中，均表现出优异的循环稳定性。性能对比图（图6f）直观地凸显了本工作在循环寿命与倍率性能上的全面领先地位。
【结论】
总之，本研究提出并验证了一种“亲锌-疏碘”协同界面策略，通过原位构建 ZnOHF 纳米线阵列并复合 PVDF 疏碘层，成功解决了水系锌-碘电池中锌负极枝晶生长与多碘化物穿梭腐蚀两大关键难题。其核心机制在于：ZnOHF 纳米线阵列作为三维亲锌骨架，能有效调控界面电场与离子通量，诱导 Zn²⁺ 在底部优先均匀沉积，抑制枝晶生长；而 PVDF 层则利用其疏水特性及与多碘化物间的静电排斥与空间位阻效应，物理阻隔并化学排斥多碘化物，防止其与锌负极发生腐蚀反应。得益于这种双向协同保护，所构筑的 PVDF-ZnOHF@Zn 负极在对称电池中实现了超长循环寿命，组装的锌-碘全电池更是在 50 C 超高倍率下实现了 35 万次的超长循环，单圈衰减率极低，软包电池也展现出优异的实用化潜力。该工作不仅为构建高稳定、高可逆锌负极提供了新范式，也为推动水系锌-碘电池在快充型电网储能等领域的实际应用开辟了新路径。未来可进一步探索该界面策略在其他水系金属电池（如锌-溴、锌-硫等）中的普适性，以及通过优化 PVDF 层的微观结构和功能化设计，进一步提升电池在极限工况下的综合性能。
