01 【全文速览】
近年来，水系锌离子电池（AZIBs）因其锌负极所具有的高理论容量（820 mAh g⁻¹）、资源丰富、环境友好以及水系电解质本质安全等优势，被视作具有发展潜力的锂离子电池替代体系，受到学术界广泛关注。然而，该体系在实际应用中仍面临正极容量有限、能量密度偏低与循环稳定性欠佳等多重挑战，亟需在正极、负极、电解质、集流体及隔膜等关键组分上实现协同优化与性能突破。
在此背景下，缺陷工程作为一种重要的材料调控策略，展现出显著的应用前景。该方法通过可控引入空位或进行杂原子掺杂，有效调节材料的电子结构与表面特性，从而显著影响其电化学行为。作为一种通用性强的改性手段，缺陷工程可广泛应用于电池各功能组分的优化设计，通过精准调控界面性质，提升材料稳定性、改善反应动力学并增强电池的整体循环性能。最近，上海理工大学熊婷团队系统综述了缺陷工程在高性能AZIBs中的关键作用机制，重点阐明了其在正极、负极、功能添加剂、隔膜及集流体等方面的前沿应用进展，并特别以MoS₂基正极材料为例，深入剖析了缺陷结构对其电化学性能的优化路径与构效关系。
02 【文章亮点】
（1）系统性综述了缺陷工程在水系锌离子电池各关键组分（包括正极、负极、电解质添加剂、隔膜与集流体）中的研究进展与应用策略。
（2）深入探析了缺陷工程在提升水系锌离子电池综合性能过程中的关键作用机制，重点阐释了其在调控反应动力学、促进离子迁移及稳定材料结构等方面的内在原理。
（3）前瞻性地展望了缺陷工程在该技术领域未来发展中面临的核心挑战与潜在研究方向，为后续科研工作提供了明确的理论框架与创新路径。
03 【主要内容】
图1、缺陷工程在AZIBs中各组分的应用及其作用。
图1总结了缺陷工程在水系锌离子电池关键组分（包括正极、负极、电极添加剂、隔膜及集流体）中的最新研究进展，并阐明了缺陷结构在不同组分中提升电池电化学性能的作用机制。
图2、缺陷类型及引入各种缺陷的策略。
图2首先将缺陷类型划分为空位（金属/非金属）、掺杂（金属/非金属）及边缘缺陷，随后系统综述了各类缺陷在水系锌离子电池中的具体制备方法。
图3、缺陷工程在锰基正极材料中的应用。
在锌离子电池中，锰基正极材料因高理论容量、高工作电压及低成本而备受关注。为提升其电化学性能，多种缺陷工程策略被广泛应用：构筑氧空位可优化MnO2的电子结构、降低离子迁移能垒并稳定界面，使材料在0.2 A g-1下拥有345 mAh g-1的高容量，并在2000次循环后容量保持率超过80%（图3a,b）；引入锰空位能有效降低Zn2+扩散静电势垒，使其扩散系数提高至0.4×10-11 cm2 s-1（图3c）；而异质元素（如Mg）掺杂则可调控能带结构与晶格间距，将Zn2+扩散势垒降至0.055 eV，容量提升至311 mAh g-1。尤为重要的是，空位与掺杂的协同策略（如Ni掺杂结合Mn/Zn空位）可诱导材料形成类金属相，显著增强导电性并抑制锰溶解，从而实现了5000次循环的超长寿命，以及在一年储存后开路电压仅衰减37%的优异稳定性（图3f）。
图4、缺陷工程在钒基正极材料中的应用。
钒基正极材料凭借其丰富的价态与多样的晶体结构，已成为水系锌离子电池中极具前景的储锌载体。通过缺陷工程可有效调控其性能：构筑氧空位或钒空位能够显著降低Zn2+的扩散势垒并减弱静电相互作用，从而同时提升材料的比容量与循环稳定性（图4a-d）。此外，异原子掺杂是另一关键改性策略：例如，在NaVO中实施梯度氮掺杂可构建内置电场，不仅增强了电子导电性，还促进了Zn2+的吸附与扩散，使材料在100 A g-1的超高倍率下仍能保持110 mAh g-1的容量，并稳定循环50000次（图4e）；而镁离子掺杂则能拓宽离子传输通道、降低迁移能垒，并通过预嵌离子效应稳定晶体结构、抑制副反应，使改性电极在5000次循环后容量保持率高达90.2%（图4f）。值得强调的是，空位与掺杂的协同策略（如兼具氮掺杂与氧缺陷的氧化钒纳米管）可诱导产生快速的反应动力学、优异的储锌能力、高倍率性能及长循环寿命（图4g）。
图5、缺陷工程在普鲁士蓝类似物及二维层状材料正极材料中的应用。
普鲁士蓝类似物（PBAs）因其高工作电压、成分可调及开放的框架结构，成为水系锌离子电池的理想正极材料之一。然而，其本征导电性受晶格空位和结晶水含量等因素制约，过量空位更会引发骨架坍塌与晶格无序，反而降低电化学性能。因此，元素掺杂被证实为一种更有效的改性路径。例如，在普鲁士蓝类似物中引入少量Mn，可协同增强材料电化学稳定性，有效抑制晶相转变并减少溶解，使电极在500次循环后容量保持率高达94%（图5a）。类似的，Co-Ni共掺杂能够降低晶格水含量、增加活性位点，从而实现高度可逆的Zn2+嵌入/脱出，使电极在5000次循环后仍保持84%的容量（图5b）。这些结果均表明，合理的掺杂策略可显著优化普鲁士蓝类似物的结构稳定性与综合电化学性能。
图6、金属元素掺杂在MoS2正极材料中的应用。
过渡金属二硫化物（TMDs）因其典型的层状结构，在锌离子电池正极材料研究中备受关注，然而其较差的倍率性能和快速的容量衰减制约了实际应用。为此，缺陷工程作为有效的电子/离子调控手段被广泛研究。以硫空位为例，其能够显著降低Zn2+迁移能垒，促进离子传输并提供更多活性位点。例如，富含硫空位的MoS2电极实现了232.6 mAh g−1的高可逆容量，体现了该策略在提升储锌性能方面的潜力。阳离子掺杂是协同调控材料层间距、导电性及结构稳定性的有效策略。以钴掺杂为例，它可诱导2H相向金属性的1T相转变，不仅显著提升了材料的本征电导率，还有效稳定了1T相结构，从而同步实现了高能量密度与长循环寿命。阴离子掺杂可有效拓宽MoS2的层间距并优化其电子结构，从而协同增强其对Zn2+的吸附能力、扩散动力学及电极稳定性。以氧掺杂为例，其不仅通过提升材料亲水性显著降低了Zn2+的插层能垒，使其扩散系数提升三个数量级，同时引入的硫空位缺陷还共同贡献了232 mAh g-1的高比容量。边缘缺陷能有效暴露更多的活性位点，从而为材料贡献额外的锌离子存储容量。研究表明，通过酸处理制备的富边缘缺陷MoS2在维持结构完整性的前提下，可实现187 mAh g-1的可逆容量，并在700次循环后仍保持89%的容量，展现出优异的循环稳定性。
图7、缺陷工程在有机材料以及其他正极材料中的应用。
在有机正极方面，具有共轭多孔结构的聚苯胺（PANI）是研究热点。通过自掺杂磺酸基团（-SO3–）可作为内部质子源，使其在弱酸性电解液中维持高效的氧化还原反应，从而在2000次循环中保持100%的库伦效率，并在电流密度增大50倍时容量保持率达70%（图7a）。而采用萘磺酸（β-NSA）与石墨烯酸（GA）共掺杂的PANI，则利用高结晶度结构与弱酸基团形成高密度质子储备，结合GA的优异导电性与柔性，协同加速反应动力学并缓冲体积变化，最终使组装的锌离子电池同时实现535.31 Wh kg-1的高能量密度与7378.01 W kg-1的高功率密度（图7b）。该掺杂策略在其他无机正极材料中同样成效显著。例如，Cu掺杂可诱导Bi2Se3产生Bi空位，从而提高体相电导率与Zn2+吸附能，并降低迁移能垒，使材料展现出320 mAh g-1的高容量及4000次长循环稳定性（图7c,d）。此外，V/Mn共掺杂的NASICON材料成功激活了两对过渡金属氧化还原电对，使其在0.1 A g-1下的比容量提升至230.7 mAh g-1，并展现出309.7 Wh kg⁻¹的高能量密度及在5.0 A g-1下3000次循环后89.1%的容量保持率（图7f）。这些工作共同表明，精准的缺陷调控是优化各类正极材料储锌性能的有效途径。
图8、缺陷工程在负极材料中的应用。
锌负极面临的枝晶生长、腐蚀及析氢反应等问题严重制约了其实际应用。缺陷工程为构建稳定锌负极界面提供了可行的解决路径：异质原子掺杂可有效调控锌沉积行为，例如Sn掺杂通过降低表面能诱导锌均匀沉积（图8a），使全电池在10,000次循环后仍保持118.1 mAh g-1的容量（图8b）；N掺杂则通过优化Zn2+吸附位点（图8c），促进其均匀成核，使负极在1 mA cm-2下呈现出约23 mV的低过电位和超过3000小时的循环寿命（图8d）。进一步地，N/O共掺杂碳材料通过协同作用增强Zn2+捕获能力，有效降低成核势垒（图8e）；而MOF衍生的CeO2高缺陷保护层则利用其负电性与多孔结构，促进锌离子去溶剂化并实现均匀分布，使对称电池在2 mA cm-2下稳定运行3200小时，且库伦效率高达99.5%（图8f, g）。这些策略通过优化界面相互作用与离子传输动力学，共同提升了锌负极的循环稳定性与安全性。
图9、缺陷工程在电解质添加剂中的应用。
在电解质添加剂中引入缺陷工程，主要是通过向碳点等碳基纳米结构中掺杂杂原子（如N、S、Cl）或嫁接官能团（如-SO3–），以增强其亲锌性并精准调控锌沉积行为。具体而言：锌掺杂碳量子点可自发吸附于锌负极表面，重构界面双电层并提高析氢过电位（图9a），使电池在5 mA cm-2下稳定循环超过1500小时（图9b）；-SO3–功能化碳点则兼具强锌亲和力与静电屏蔽效应（图9c），能有效抑制水引发的副反应，将Zn||Zn对称电池寿命延长至4000小时以上；氯化石墨烯量子点通过其周期性吸附/脱附行为，构建动态自适应界面，持续引导锌均匀成核，并利用局部疏水性保护负极（图9e）；而N/S共掺杂碳量子点（NSQDs）凭借与Zn2+的高结合能，将成核过电位从112.6 mV显著降至47.2 mV，提供丰富成核位点，使Zn||Zn对称电池在20 mA cm-2的高倍率下稳定运行6000次循环。这些功能化添加剂通过协同优化界面环境与沉积动力学，显著提升了锌负极的循环寿命与可逆性。
图10、缺陷工程在隔膜和集流体中的应用。
在锌离子电池中，隔膜与集流体作为关键组分，其性能可通过缺陷工程实现显著优化。通过在材料中设计特殊结构与引入掺杂元素，可有效调控界面电场与离子传输行为。例如，利用氮掺杂碳涂层修饰玻璃纤维隔膜，可提高锌离子迁移数，其强亲锌性有助于降低成核过电位并均化界面电场，使对称电池在1 mA cm-2下稳定运行1100小时，并使全电池在5 A g-1下循环1000次后容量保持率达79%（图10a）。采用富含氮氧官能团的多孔碳材料修饰隔膜，可将离子电导率提升至17.63 mS cm-1，显著增强锌沉积/溶解的可逆性（图10b）。在集流体方面，构建由非晶TiOx与Zn/N共掺杂碳组成的结构，其有序多孔网络可均匀化电场与离子流分布，使对称电池在1 mA cm-2下稳定运行450小时（图10d,e）。仿莲藕多通道碳纤维骨架与表面氮掺杂碳笼复合集流体，利用曲率驱动的电荷局域化效应引导锌有序成核，在40%放电深度下实现380小时稳定循环（图10f,g）。此外，在碳布上原位生长氮掺杂垂直石墨烯阵列，可通过含氮基团配位作用将Zn2+成核过电位降至83 mV，并实现>95%的库伦效率（图10h,i）。上述策略通过构筑亲锌位点、优化电场分布及离子传输路径，有效促进了锌的均匀沉积并抑制了副反应，为高性能锌基电池的设计提供了重要参考。
04 【总结与展望】
这两篇综述性文章系统性地阐述了缺陷工程在水系锌离子电池（AZIBs）中的研究与应用。文章首先对缺陷工程中常见的缺陷类型进行了基本介绍与分类，并概述了典型的缺陷引入方法。随后，重点围绕缺陷工程在电池关键组分——包括正极、负极、电解质添加剂、隔膜及集流体——性能提升方面的研究进展展开论述，深入阐明了其在优化AZIBs综合电化学性能中的关键作用机制：
1）在正极材料中，缺陷工程能够：i）增加活性位点并增强对锌离子的吸附能力，从而提升循环比容量；ii）提高离子/电子导电性，促进Zn²⁺迁移，改善倍率性能；iii）稳定材料晶体结构，实现长循环稳定性。
2）在负极方面，缺陷工程主要通过：i）优化Zn²⁺吸附行为与成核均匀性；ii）抑制副反应发生；iii）调控材料的电子结构，促进离子传输，进而全面提升充放电过程的反应动力学。
3）在电解质添加剂、隔膜与集流体等关键组分中，杂原子掺杂等缺陷策略可调节材料对Zn²⁺的亲和性，优化界面环境，从而协同提升电池性能。此外，该策略还能有效降低锌沉积成核过电位、缓解界面浓度梯度，有助于提升电池循环效率与可逆性。
图11、水系锌离子电池缺陷工程的未来方向。
作者提出了缺陷工程在未来水系锌离子电池研究中的主要发展方向：应借助模拟计算与机器学习等方法预测并优化缺陷结构，以加速高性能材料的理性设计；在此基础上，发展原子层沉积等精准合成技术，实现对缺陷类型、浓度与分布的有效调控；同时需结合原位/先进表征技术，在原子尺度实时监测缺陷在电化学过程中的动态演化，深入理解其作用机制；还应建立系统的性能评估体系，量化缺陷与性能的构效关系，全面评估其实际工况表现；最终，通过推动产学研合作以解决规模化制备与成本问题，并系统考察其长期循环稳定性与安全性，从而促进缺陷工程锌离子电池在电动汽车、规模储能等领域的实际应用。
05 【文献详情】
文章信息：Ting Xiong, Yaoxin Zhang, and Wee Siang Vincent Lee, Defective Engineering As a Promising Strategy for Advanced Aqueous Zn Ion Batteries, ACS Energy Lett., 2025, 10, 7, 3287–3305.
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00960
文章信息：Chen Xin, Dan Yang, Heru Setyawan, Yaoxin Zhang, and Ting Xiong, Engineering defects in MoS2 cathodes for high-performance aqueous zinc-ion batteries, J. Energy Storage, 2025, 134, Part A, 118115.
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.118115
