锌离子电池（ZIBs）因其高体积容量、低氧化还原电位以及良好的安全性，被认为是替代锂离子电池用于大规模电化学储能系统最具潜力的候选之一。然而，仍存在诸多挑战，主要包括离子传输缓慢、电场严重畸变、惰性副产物积累以及锌阳极上枝晶生长等问题。因此，凝胶电解质作为一种有前景的“超越水系”电解质，通过兼顾固态电解质的机械性能与液态电解质的离子扩散行为，被提出以突破ZIBs中的上述障碍。但是，尽管在凝胶-电解质设计方面，通过聚合物网络的分子工程、离子传输路径以及界面环境等方面取得了显著进展，但从原子尺度的亲锌活性位点角度精确调控锌的迁移仍面临挑战。因此，锌的成核与早期生长仍可能出现空间不均匀，不利于持续抑制枝晶形成。

  近期贵州大学黄俊和南昌大学陈义旺设计并提出一种策略，将负载锡单原子（Sn SAs）的碳纤维（CFs）作为填料引入聚丙烯酰胺（PAM）凝胶电解质（PAM/CFs@Sn），利用原子级亲锌的Sn单原子位点调控锌离子迁移，从而构建高性能锌阳极。具体而言，将CFs作为功能填料引入PAM凝胶电解质，有助于促进Zn²⁺通量更加均匀，并实现电荷分布更一致，从而减轻电场畸变。同时，Sn单原子作为亲锌活性位点，提供丰富且均匀的活性中心，降低Zn²⁺迁移能垒。结果表明，PAM/CFs@Sn凝胶电解质表现出最高的Zn²⁺吸附能，其电化学性能也优于其他凝胶电解质。组装的Zn||Zn对称电池在0.5 mA cm^-2、0.5 mAh cm^-2条件下，展现出高达0.89的Zn²⁺迁移数和超过3740小时的优异循环稳定性。此外，Zn||Cu电池在1480小时以上仍保持高达99.5％的库仑效率。这项工作将单原子调控策略引入凝胶电解质，为开发高性能锌离子电池提供了新思路。

  2026年8月20日，该工作以“Atomic-Level Regulating Zinc Chemistry by Sn Single-Atom/Carbon-Fibers Armed Gel Electrolyte for Highly Reversible Zinc Anode”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。文章第一作者为颜泽宇、杨宋，通讯作者为黄俊、陈义旺。

图1 PAM/CFs@Sn凝胶电解质的设计与制备，以及PAM、PAM/CFs和PAM/CFs@Sn三种体系对Zn²⁺传输和锌沉积的调控差异。

  在材料设计上，通过静电纺丝、预氧化、高温热解及酸刻蚀等步骤，制备了锡单原子均匀锚定的碳纤维（CFs@Sn），并将其引入PAM基体中，构筑PAM/CFs@Sn复合凝胶电解质。相对于纯PAM凝胶电解质孔隙较大且缺乏有效活性中心，容易造成Zn²⁺传输缓慢、界面电场及离子通量分布不均，进而诱发锌枝晶生长和界面副反应。对于将普通碳纤维作为填料引入PAM凝胶电解质虽然能够提供物理骨架，但调控作用仍较为有限。相比之下，CFs@Sn引入凝胶电解质中在保持凝胶电解质良好电子绝缘性的同时，利用碳纤维骨架与亲锌Sn单原子位点的协同作用，促进Zn²⁺快速、均匀迁移，降低迁移能垒，并引导锌沿（002）晶面致密沉积，从而有效提升锌阳极的界面稳定性。

图2 CFs@Sn与PAM/CFs@Sn的SEM、TEM、HAADF-STEM、元素分布、XANES/EXAFS及Zn吸附能和电子态密度表征。

  引入CFs@Sn后，PAM凝胶形成了更加均匀的三维互连网络，碳纤维均匀分散于凝胶孔隙中。HAADF-STEM、EDS及XRD等表征结果证实，Sn物种以单原子形式均匀锚定在碳纤维上，其负载量约为3.41 wt%。XANES及EXAFS结果进一步表明，CFs@Sn中不存在明显的Sn-Sn键，中心Sn原子主要与约4个N原子配位，平均Sn-N键长约为2.07 ?，证实Sn单原子以稳定的Sn-N₄构型分散于碳骨架中。理论计算显示，CFs@Sn对Zn的吸附能为-0.472 eV，明显低于纯CFs的-0.275 eV，说明Sn单原子的引入能够增强材料的亲锌性，促进Zn均匀成核与界面电荷转移。

图3 不同凝胶电解质中的界面电荷、活化能、成核/扩散行为，以及Zn||Zn循环、Zn||Cu库仑效率和文献性能对比。

  进一步通过电化学测试表明，PAM/CFs@Sn凝胶电解质具有31.27 mS cm^-1子电导率和0.89的Zn²⁺数，均明显高于PAM及PAM/CFs凝胶电解质。并且，引入Sn单原子后，Zn阳极向界面的净电荷转移由0.36 e降至0.11 e，界面极化得到缓解。同时，分散于凝胶内部的CFs@Sn可促进Zn²⁺快速迁移，并且降低Zn²⁺去溶剂化能垒，缩小成核与生长之间的能量差。得益于上述协同调控，采用PAM/CFs@Sn凝胶电解质的Zn||Zn对称电池在0.5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2下三组独立组装的PAM/CFs@Sn基Zn||Zn对称电池分别稳定循环3600、3740和4010 h。Zn||Cu电池同样表现出优异的循环可逆性，充分体现了单原子调控策略在稳定锌阳极方面的优势。

图4 循环锌阳极的SEM/XRD、AFM-DMT-KPFM及XPS深度剖析，验证PAM/CFs@Sn诱导的均匀、致密Zn（002）取向沉积。

  采用PAM凝胶电解质的锌阳极在循环过程中逐渐形成疏松多孔的沉积层，并伴随严重腐蚀和枝晶生长，最终在800次循环后发生短路。引入CFs虽能在一定程度上改善宏观电场分布，但局部沉积不均问题仍然存在。相比之下，PAM/CFs@Sn凝胶电解质能够使锌阳极在1600次循环后仍保持致密、均匀的六边形片状致密沉积。循环过程中，锌阳极的I₍₀₀₂₎/I₍₁₀₁₎比值持续升高，表明PAM/CFs@Sn能够促进Zn沿（002）晶面择优生长。AFM与KPFM结果进一步显示，该体系形成的锌沉积层具有更低的表面粗糙度、更均匀的电势分布和更高的力学稳定性，其平均DMT模量达到7.46 GPa，表面电势差仅为20 mV。深度XPS、结果证实，循环后的锌阳极表面形成了含Sn和ZnS组分的均匀稳定界面层，碳纤维与Sn单原子协同均匀局域电场和Zn²⁺通量，促进致密的（002）取向沉积，从而有效抑制枝晶生长、界面腐蚀及副反应。

图5 CFs@Sn调控Zn吸附与迁移的理论机制，以及传统凝胶与单原子调控凝胶在电荷、离子传输和界面沉积方面的对比。

  DFT计算表明，Sn单原子的5p轨道与碳骨架的C-2p轨道发生耦合，改变了费米能级附近的局域电子结构，从而优化CFs@Sn与Zn²⁺之间的相互作用。引入Sn单原子后，Zn²⁺的迁移能垒由0.058 eV降低至0.024 eV，为Zn²⁺在相邻吸附位点之间的快速迁移提供了低能垒通道。传统凝胶电解质通常存在电荷分布不均、Zn2?迁移缓慢及电极界面不稳定等问题。而CFs@Sn中的碳纤维骨架能够改善凝胶网络和离子传输路径，均匀局域电场；亲锌Sn单原子则进一步降低Zn2?迁移能垒，并通过活性位点调控Zn2?分布。二者协同实现从凝胶内部离子传输到电极的多尺度调控，从而促进均匀、可逆的锌沉积，有效抑制枝晶、析氢及腐蚀副反应。

小结

  本工作设计并提出了一种独特的单原子调控策略，通过将锡单原子锚定的碳纤维（CFs@Sn）引入PAM凝胶电解质，实现对锌化学行为的原子级调控，从而提升锌阳极的稳定性。在该结构中，功能性碳纤维填料能够促进Zn²⁺通量和电荷均匀分布，缓解电场不均；Sn单原子则可在原子尺度降低Zn²⁺迁移能垒，优化离子传输路径，实现Zn²⁺快速迁移。由此组装的Zn||Zn对称电池具有0.89的Zn²⁺迁移数，并在0.5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2条件下稳定循环超过3740 h；Zn||Cu非对称电池的库仑效率达到99.5%，循环时间超过1480 h。该研究展现了原子级调控策略的巨大潜力，为突破传统凝胶电解质的固有局限以及构建下一代储能体系提供了新思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74734