水系锌离子电池面临的挑战

在“双碳”战略背景下，积极发展新能源和清洁能源是必行之事。而具有高能量密度、成本低、安全环保等优点的锌离子电池，有望取代锂离子电池成为新型便携式能源储存设备。在众多的水系可充电电池候选产品中，锌离子电池已成为大规模储能系统的最佳选择之一。然而，锌负极中的枝晶、腐蚀和副反应等问题限制了锌离子电池的发展。三维锌负极的构建对于缓解锌负极所面临的问题具有一定现实的意义。

近日，华北理工大学何章兴教授、吉首大学吴贤文教授联合厦门大学张桥保教授等团队首次从三维结构的新角度对锌负极进行全面的综述，可以快速了解这一领域的现状和未来发展方向，有利于从结构设计的角度发展高性能锌离子电池。 其成果以题为“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在国际知名期刊Small Methods，2022，2200597上发表。本文第一作者为华北理工大学郭娜，通讯作者为华北理工大学何章兴教授、吉首大学吴贤文教授和厦门大学张桥保教授。该工作还得到了加州大学圣地亚哥分校刘豪东博士，厦门大学化学化工学院梁汉锋教授的指导、帮助与支持。 【研究亮点】

本文总结了近年来锌负极面临的挑战，如锌枝晶、析氢和腐蚀、钝化。

简要介绍了锌负极和三维（3D）锌负极的储能机制。

详细总结了不同结构的三维锌负极：纯锌负极、镀锌负极和其他的3D锌负极。

阐述了三维锌负极材料设计面临的巨大挑战和机遇。 【图文导读】

图1. 近年来3D锌负极的代表性工作时间轴图 三维锌负极在近几年经历着快速的发展和变化。由控制纯锌的颗粒或粒子分布而形成多孔锌负极逐步发展为镀锌负极。研究人员在镀锌基底材料上做了许多工作，从一种到多种材料复合逐渐摸索，才有了今天的成果。纯锌负极也从结构不稳定的颗粒演变成通过腐蚀或脱合金等方法形成的多孔锌负极。

图2. 三维锌负极的分类汇总图 三维结构的锌负极可以分为纯锌负极和非纯锌负极。总结近些年的文章，纯锌负极具有多种结构，包括纤维状锌负极、多孔锌负极和脊柱状锌负极；非纯锌负极的镀锌负极因基底材料的不同，分为金属材料镀锌负极、碳材料镀锌负极和其他材料的镀锌负极，非纯锌负极还有通过其他方式形成的3D锌负极。

图3. 三维锌负极储能机制 锌离子电池的储能机制，简单来说，就是锌金属与锌离子的转化过程，放电过程中，负极上的锌转化为锌离子，充电过程中，溶液中的锌离子转化为金属锌。在三维结构中储能也是同样的过程，不同之处是：锌离子转为锌金属是不单单发生在负极表面，可以通过三维结构的孔隙发生在内部，从而加速反应的动力学过程。

图4. 纯锌负极 纯锌负极的结构示意图和表征表明这些3D结构可以有效增大锌负极的比表面积，并且可以改变离子迁移通道，为充放电过程中锌离子的均匀沉积提供有利条件，从而抑制锌枝晶生长进一步提升电池的性能。

图5. 金属基底镀锌负极 由于金属材料具有良好的导电性，它能够加速电极反应过程中的电子转移。此外，使用具有亲锌性的金属（铜网，泡沫铜，多孔铜，镍纳米管、多孔钛等）有利于形成锌的活性成核位点，实现锌离子均匀沉积，调控界面电场，实现无枝晶的锌负极，延长电池的运行寿命。

图6. 碳基材料基底镀锌负极 碳材料因其可用性高、结构通用性强、制造工艺方便等特点成为目前最受欢迎的候选材料，在电化学领域应用广泛。碳基材料一般具有较大的比表面积，可以为锌的成核提供丰富位点，避免枝晶的产生，保证锌离子的均匀沉积。碳基材料改性锌负极是优化水系锌离子电池电化学性能的有效策略。

图7.其他方法获得的3D锌负极 除了广泛使用的电镀方法，还有一些其他方法获得3D锌负极，如碾压法、真空抽滤法和熔融合金法等。这类方法大多操作简便，符合电极改性和设计的基本要求。其中，合金策略是近期比较热门的方法，通过引入异质元素，可以抑制锌枝晶的生长，同时还能减轻电极副反应的发生，从而有效提升电池的电化学性能。

【结论】

本文全面总结了水系锌离子电池面临的挑战，包括枝晶生长、析氢和腐蚀以及钝化问题。简单介绍了锌负极以及3D锌负极的储能机理。随后详细讨论了具有不同结构的三维锌负极。最后，强调了3D锌负极材料设计面临的巨大挑战和机遇，并对3D结构的设计提出一些建议：（1）多角度观点共同提升锌负极性能；（2）合理选择基底材料稳定锌负极；（3）基底材料改性方向提升电池性能；（4）综合考虑构建3D锌负极。我们希望所做的工作能够为锌离子电池的发展做出贡献。

图8. 三维锌负极未来研究方向建议图

审核编辑 ：李倩