在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，積極發(fā)展新能源和清潔能源是必行之事。而具有高能量密度、成本低、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的鋅離子電池，有望取代鋰離子電池成為新型便攜式能源儲存設(shè)備。在眾多的水系可充電電池候選產(chǎn)品中，鋅離子電池已成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的最佳選擇之一。然而，鋅負(fù)極中的枝晶、腐蝕和副反應(yīng)等問題限制了鋅離子電池的發(fā)展。三維鋅負(fù)極的構(gòu)建對于緩解鋅負(fù)極所面臨的問題具有一定現(xiàn)實(shí)的意義。

近日，華北理工大學(xué)何章興教授、吉首大學(xué)吳賢文教授聯(lián)合廈門大學(xué)張橋保教授等團(tuán)隊(duì)首次從三維結(jié)構(gòu)的新角度對鋅負(fù)極進(jìn)行全面的綜述，可以快速了解這一領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，有利于從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度發(fā)展高性能鋅離子電池。 其成果以題為“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在國際知名期刊Small Methods，2022，2200597上發(fā)表。本文第一作者為華北理工大學(xué)郭娜，通訊作者為華北理工大學(xué)何章興教授、吉首大學(xué)吳賢文教授和廈門大學(xué)張橋保教授。該工作還得到了加州大學(xué)圣地亞哥分校劉豪東博士，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院梁漢鋒教授的指導(dǎo)、幫助與支持。 【研究亮點(diǎn)】

本文總結(jié)了近年來鋅負(fù)極面臨的挑戰(zhàn)，如鋅枝晶、析氫和腐蝕、鈍化。

簡要介紹了鋅負(fù)極和三維（3D）鋅負(fù)極的儲能機(jī)制。

詳細(xì)總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負(fù)極：純鋅負(fù)極、鍍鋅負(fù)極和其他的3D鋅負(fù)極。

闡述了三維鋅負(fù)極材料設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 近年來3D鋅負(fù)極的代表性工作時(shí)間軸圖 三維鋅負(fù)極在近幾年經(jīng)歷著快速的發(fā)展和變化。由控制純鋅的顆粒或粒子分布而形成多孔鋅負(fù)極逐步發(fā)展為鍍鋅負(fù)極。研究人員在鍍鋅基底材料上做了許多工作，從一種到多種材料復(fù)合逐漸摸索，才有了今天的成果。純鋅負(fù)極也從結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的顆粒演變成通過腐蝕或脫合金等方法形成的多孔鋅負(fù)極。

圖2. 三維鋅負(fù)極的分類匯總圖 三維結(jié)構(gòu)的鋅負(fù)極可以分為純鋅負(fù)極和非純鋅負(fù)極。總結(jié)近些年的文章，純鋅負(fù)極具有多種結(jié)構(gòu)，包括纖維狀鋅負(fù)極、多孔鋅負(fù)極和脊柱狀鋅負(fù)極；非純鋅負(fù)極的鍍鋅負(fù)極因基底材料的不同，分為金屬材料鍍鋅負(fù)極、碳材料鍍鋅負(fù)極和其他材料的鍍鋅負(fù)極，非純鋅負(fù)極還有通過其他方式形成的3D鋅負(fù)極。

圖3. 三維鋅負(fù)極儲能機(jī)制 鋅離子電池的儲能機(jī)制，簡單來說，就是鋅金屬與鋅離子的轉(zhuǎn)化過程，放電過程中，負(fù)極上的鋅轉(zhuǎn)化為鋅離子，充電過程中，溶液中的鋅離子轉(zhuǎn)化為金屬鋅。在三維結(jié)構(gòu)中儲能也是同樣的過程，不同之處是：鋅離子轉(zhuǎn)為鋅金屬是不單單發(fā)生在負(fù)極表面，可以通過三維結(jié)構(gòu)的孔隙發(fā)生在內(nèi)部，從而加速反應(yīng)的動力學(xué)過程。

圖4. 純鋅負(fù)極 純鋅負(fù)極的結(jié)構(gòu)示意圖和表征表明這些3D結(jié)構(gòu)可以有效增大鋅負(fù)極的比表面積，并且可以改變離子遷移通道，為充放電過程中鋅離子的均勻沉積提供有利條件，從而抑制鋅枝晶生長進(jìn)一步提升電池的性能。

圖5. 金屬基底鍍鋅負(fù)極 由于金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，它能夠加速電極反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移。此外，使用具有親鋅性的金屬（銅網(wǎng)，泡沫銅，多孔銅，鎳納米管、多孔鈦等）有利于形成鋅的活性成核位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋅離子均勻沉積，調(diào)控界面電場，實(shí)現(xiàn)無枝晶的鋅負(fù)極，延長電池的運(yùn)行壽命。

圖6. 碳基材料基底鍍鋅負(fù)極 碳材料因其可用性高、結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)、制造工藝方便等特點(diǎn)成為目前最受歡迎的候選材料，在電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。碳基材料一般具有較大的比表面積，可以為鋅的成核提供豐富位點(diǎn)，避免枝晶的產(chǎn)生，保證鋅離子的均勻沉積。碳基材料改性鋅負(fù)極是優(yōu)化水系鋅離子電池電化學(xué)性能的有效策略。

圖7.其他方法獲得的3D鋅負(fù)極 除了廣泛使用的電鍍方法，還有一些其他方法獲得3D鋅負(fù)極，如碾壓法、真空抽濾法和熔融合金法等。這類方法大多操作簡便，符合電極改性和設(shè)計(jì)的基本要求。其中，合金策略是近期比較熱門的方法，通過引入異質(zhì)元素，可以抑制鋅枝晶的生長，同時(shí)還能減輕電極副反應(yīng)的發(fā)生，從而有效提升電池的電化學(xué)性能。

【結(jié)論】

本文全面總結(jié)了水系鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn)，包括枝晶生長、析氫和腐蝕以及鈍化問題。簡單介紹了鋅負(fù)極以及3D鋅負(fù)極的儲能機(jī)理。隨后詳細(xì)討論了具有不同結(jié)構(gòu)的三維鋅負(fù)極。最后，強(qiáng)調(diào)了3D鋅負(fù)極材料設(shè)計(jì)面臨的巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并對3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出一些建議：（1）多角度觀點(diǎn)共同提升鋅負(fù)極性能；（2）合理選擇基底材料穩(wěn)定鋅負(fù)極；（3）基底材料改性方向提升電池性能；（4）綜合考慮構(gòu)建3D鋅負(fù)極。我們希望所做的工作能夠?yàn)殇\離子電池的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

圖8. 三維鋅負(fù)極未來研究方向建議圖

審核編輯 ：李倩