锌负极在可充电水系电池中的发展与挑战

综述背景

水系可充电锌离子电池由于其安全性高、成本低、资源丰富和生态友好等优点，近年来引起了越来越多的研究兴趣。然而，水系锌离子电池中锌负极存在锌枝晶和副反应等问题，严重缩短了电池循环寿命，制约了其实际应用。在这篇综述中，主要揭示了对枝晶形成、腐蚀和析氢等现有问题的基本认识，讨论了当前锌电极保护和水系电解液中电解液调控的现有策略。此外，总结了用于分析电极和电解液之间相互作用的现有技术。此外，还提供了设计高稳定性锌电极的观点和建议。

本文以题为“Opportunitiesand Challenges of Zinc Anodes in Rechargeable Aqueous Batteries”在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表。本文第一作者为博士研究生郭晓霞，通讯作者为何冠杰助理教授，通讯单位为伦敦大学学院(UCL)。

综述要点

详述了锌离子电池的工作原理，并综合性地分析了目前锌负极面临的问题。

深入描述了锌离子电池中针对锌负极优化策略的优缺点和最新研究进展。

综述了锌离子电池中锌电极与电解液界面研究涉及到的表征技术。 

图文导读

图1. 水系锌离子电池工作原理示意图.

▲在锌离子电池中，储能机制主要基于Zn2+的嵌入/脱出机制，放电过程中，锌负极失去电子，氧化为Zn2+，Zn2+随后嵌入正极。

图2. 锌负极面临的问题.

▲Zn金属可直接用作负极。ZIBs 的大多数研究都使用商业锌箔作为 ZIBs 研究的负极。然而，锌负极的商业应用主要受到以下问题的阻碍。

图 2 展示了锌表面出现的常见问题，包括：1) 枝晶生长，2) 析氢，3) 腐蚀，以及 4) 钝化(在碱性电解液中)。

目前的优化策略包括设计锌负极的复合纳米结构，在锌负极表面添加保护层，在电解液中加入添加剂进行电解液改性，或改变锌盐在电解质中的浓度等等。

图3. 锌电极与电解液界面研究涉及到的表征技术总结.

▲除了上述针对材料的策略外，分析技术也是了解电池在充放电过程中具体反应的必要工具。

各种表征技术可以提供对锌负极的综合分析，包括电子结构分析、化学成分分析、形态结构分析、结晶度分析和电化学评价。

此外，可以进行模拟和计算，以对锌负极的失效机制和保护策略的有效性提供合理的预测和原子级解释。

研究总结

 

锌负极：更多的研究需要集中在可以通过“原位”过程生成保护层的简单方法上。同时，可控锌沉积的内在机制仍不清楚。镀锌/剥离过程的原位表征可以捕获枝晶形成的初始状态、成核位点的分布以及锌离子在表面的迁移，这对于设计高稳定性锌阳极非常重要。

电解液：最重要的原则是保证其与电极稳定存在。同时，需要保持高离子电导率、宽工作电压窗口和环境友好性。同时，需要充分考虑不同电解液添加剂对正极材料的影响。需要通过先进的原位表征技术来揭示未知的界面现象，以全面了解锌负极/电解质界面发生的实时变化。

正极：在电解液中添加有效添加剂可以实现保护正极、提高循环稳定性、提高容量和工作电压等作用。然而，仍有许多问题需要解决。例如，使用添加剂，许多反应机制仍不清楚；目前还没有关于添加剂对不同正极材料广泛适用性的报道。

审核编辑：刘清