水系电池锌负极界面结构与界面修饰进展

【文章信息】

水系电池锌负极界面结构与修饰进展

第一作者：秦润之，王乐涛

通讯作者：潘锋*

单位：北京大学深圳研究生院

【研究背景】

水系锌离子电池具有价格低廉、环境友好、安全不燃等优点，有望成为大规模储能用电池体系。然而锌金属作为负极使用时面临枝晶生长导致的短路问题，以及副反应造成的库伦效率低的问题。本篇文章从负极界面结构的角度出发，综述了界面修饰策略解决锌负极问题的机理，并逐步讨论了电极反应过程中该策略的优化方法，最后对界面修饰和锌负极优化提出展望。本文重点分析了锌负极界面结构和界面修饰的前沿发展方向，有助于加速锌离子电池的实际应用。

【文章简介】

近日，来自北京大学深圳研究生院的潘锋教授团队，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Progress in interface structure and modification of zinc anode for aqueous batteries”的观点文章。该文章分析了水系锌离子电池负极界面结构与界面修饰的机理，汇总了近期研究此类界面修饰工作的进展。

图1. 锌负极界面修饰的机理和优化策略

【本文要点】

要点一：锌负极界面修饰结构与基本功能

常见的界面修饰可分为导电型和非导电型两种，前者包括异质惰性金属或金属-锌合金修饰、高比表面积碳材料修饰等；后者指原位或非原位涂层包覆，涂层材料可以为无机晶体、有机聚合物、新型多孔材料或二维材料等。导电修饰层可以构建新的电化学反应界面，其中异质金属修饰层可以增强亲锌性，提供更多成核位点，促进均匀沉积，可以提高HER过电势抑制副反应；导电碳材料可以增大活性面积，降低枝晶生长倾向。导电修饰层不改变锌负极反应界面，可以重新分配锌离子流量和均匀电场、减少沉积产物尖端效应，以抑制枝晶；可以限制自由水的数量抑制副反应。

要点二：锌枝晶抑制的优化方法

锌离子沉积经历多个步骤，每一步的优化均可达到控制形貌的目的。对非导电型修饰的优化方法有：构建更小的传输通道以更均匀的分配锌离子，促进锌离子在孔道内的传输速率以提高沉积动力学，限制锌离子在电极表面二维扩散以降低沉积产物聚集倾向，控制沉积锌晶体的排列以减少空隙等；对于非导电型修饰层的优化方法有：激活更多成核位点，使用液态金属溶解固态锌晶体等。

要点三：库伦效率的优化方法

HER副反应及衍生反应是影响库伦效率的主要因素。尽管不改变电极金属-氢的键强，非导电型修饰层可通过改变锌离子水合鞘层以减少电极表面水分子数量，进而抑制副反应。有些修饰层可以通过尺度效应或提供孔道内官能团与锌离子配位成键迫使水合锌离子部分脱水；有些修饰层可形成固态/有机电解质层，完全破坏锌离子水合层以达到消除副反应。

要点四：前瞻

界面修饰是提高锌负极电化学性能的有效方法，但目前仍存在一些问题，如设计原则不统一、失效机理不清晰等。现有文献主要致力于低面容量/低电流密度下锌负极的循环性能，高电流密度或深度充放电时界面修饰的功效大大减弱，有待进一步研究。目前单一种类的修饰层功能有限，可能需要多种材料复合使用，以充分发挥每种组分的优势。针对锌负极和锌离子电池的实用化，不仅需要经济的界面修饰材料和可大规模生产的制备方法，还需要与电解液、结构设计等其他策略联合应用，协同提高锌离子电池性能，推动产业发展。

【文章链接】

Progress in interface structure and modification of zinc anode for aqueous batteries https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522004116?dgcid=author

【通讯作者简介】

潘锋教授：1985年在北京大学化学系获得学士学位，1994年在Strathclyde大学P&A化学系获得博士学位，并获得英国最佳博士奖，目前为北京大学讲席教授，北京大学深圳研究生院副院长，新材料学院创始院长，国家电动汽车动力电池与材料国际研究中心主任。潘教授长期从事结构化学基础研究，探索锂离子电池的“材料基因”，开发新型能量转换存储材料和器件。他获得了2018年ECS电池领域科技创新奖（美国）和2021中国电化学贡献奖。