水系锌离子电池因本征安全性、低成本以及环境友好等优势，近年来得到快速发展。然而，随着高性能正极材料不断涌现，锌金属负极有限的循环寿命与较差的沉积/剥离可逆性，依然是制约实用化进程的关键瓶颈。尤其是在弱酸性电解液中，不可避免的氢析出反应（HER）在高电流密度与长寿命工况下被显著放大。尽管已有界面调控与电解液设计策略分别针对水系体系中质子的Grotthuss跳跃机制与Vehicle迁移机制进行抑制，但对两种传输方式“同步抑制”的有效方案仍较为缺乏。
针对上述挑战，西安交通大学丁书江/于伟/赵洪洋团队提出“双途径质子传输阻断（Dual-Pathway Proton Transport Blockade）”策略，设计构建分子工程化离子选择膜，实现对质子两类传输通道的协同抑制。该膜以聚乙烯醇（PVA）为基体，引入少量两性离子基团修饰的聚吡咯（DMAPS/PPy）。一方面，通过物理方式抑制水引起的聚合物膨胀并限制自由水渗透，从而切断水合质子迁移通道；另一方面，通过化学方式破坏连续氢键网络，抑制质子跳跃通道。同时，两性离子基团为Zn2+传输提供有利微环境，在抑制HER的同时维持高效Zn2+传导。
该策略在多种电池构型与苛刻工况下验证了有效性：所构建的离子选择膜相较Nafion的质子电导率降低超过两个数量级，并保持较高Zn2+离子电导率；在10 mA cm-2/10 mAh cm-2条件下，Zn∥Zn对称电池可稳定循环超过2000小时；在Zn∥I2全电池中实现22000次超长循环。更值得注意的是，在更贴近应用的高面载量条件（阴极负载49.3 mg cm-2）及软包电池构型下，电池容量保持率在数百次循环后仍可超过96%。
在机理层面，研究团队结合纳米尺度电化学成像与原位多尺度表征手段，构建了界面质子传输行为的空间分辨“纳米级地图”，直观揭示“双途径质子阻断”在界面微环境中的作用结果，并为后续多价金属体系（如Mg2+、Al3+）离子选择性界面构筑提供可推广的设计框架。
近日，该研究成果以《双途径质子传输阻断实现高面载量水系锌金属电池》（Dual-Pathway Proton Transport Blockade Enabling High Areal Loading Aqueous Zinc Metal Batteries）为题发表于国际能源领域权威期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。崔晓峰、刘理民、李新阳为论文共同第一作者，丁书江、于伟、赵洪洋为论文共同通讯作者。
研究工作得到国家自然科学基金（52573092、52433002）、陕西省“四链融合”项目（2024PT-ZCK-82）及陕西省自然科学基础研究计划（2022TD-27）等项目支持，并得到西安交通大学分析测试平台和国家储能技术产教融合创新平台在材料表征与机理分析等方面提供的技术支持。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE06001J
丁书江教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dingsj
于伟副教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/yuwei2019
赵洪洋副教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/zhaohy_001
