下一代锌基电池中ZnO@C阳极的架构驱动设计：迈向实用的储能系统

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Architecture-driven design of ZnO@C anodes in next-generation zinc-based batteries: Toward practical energy storage systems

锌基电池阳极采用ZnO@C纳米颗粒，通过优化悬浮液配方（PTFE/CMC复合粘合剂）和电极制备工艺（刀片涂覆与热压制对比），结合X射线计算机断层扫描（XμCT）分析循环中的结构演变。研究发现刀片涂覆电极（100μm）在1C电流密度下循环200次后容量保持率超80%，优于热压制电极（400μm），且揭示了电极厚度、粘合剂配比及电化学耦合（如Cu/SS casing腐蚀）对性能的关键影响。

　　锌基电池因其成本低廉和环保特性，在可持续能源存储领域展现出巨大的潜力。然而，其在实际商业化过程中面临诸如钝化、循环寿命短以及锌利用率有限等挑战。本研究通过采用氧化锌@碳纳米颗粒（ZnO@C NPs）作为阳极活性材料，优化浆料配方和电极结构，旨在解决这些问题。通过引入PTFE和CMC作为辅助粘结剂，不仅增强了电极的机械稳定性、润湿性和锌的利用率，还减少了对含氟粘结剂的依赖。同时，评估了两种电极制造方法——刮刀涂布法和热压法——以分析活性层厚度对电极性能和耐久性的影响。研究结果表明，较薄（约100 μm）的刮刀涂布电极在循环寿命和比容量方面均优于较厚（约400 μm）的热压电极。刮刀涂布电极在超过200次循环后仍能保持超过400 mAh g?1的放电比容量，并达到了最大524 mAh g?1，接近氧化锌理论比容量的80%。通过X射线计算显微断层扫描（XμCT）的后处理分析，揭示了电极结构参数，如氧化锌颗粒的可及性和均匀利用性，是影响电极性能的关键因素。这些参数在刮刀涂布电极中表现最佳，而在热压电极中则存在不均匀性和未转化的氧化锌体积。

在具体设备应用方面，研究还特别关注了常被忽视的电池外壳材料的作用。具体而言，电极材料、电流收集器和电池外壳之间的电化学耦合被积极测量和合理化。通过将浆料配方、电极设计和实际测试设置的创新相结合，本研究为将纳米结构锌阳极转化为实际设备环境提供了指导。

研究中采用的刮刀涂布法和热压法分别用于制造较薄和较厚的电极。刮刀涂布法在较低的电解液体积条件下进行，以模拟实际设备配置和循环条件。这种配置避免了传统研究中常见的电解液过量问题，从而能够更真实地评估电池性能，揭示锌氧化物纳米结构在实际应用中的表现。此外，研究还强调了电极材料选择和设备设计在稳定锌基电池系统中的重要性，特别是在那些容易在电池外壳内发生电化学耦合的系统中。

为了进一步验证这些发现，研究还对不同电流收集材料在硬币电池配置中的表现进行了分析。例如，锌箔阳极（红色曲线）、铜（橙色曲线）、锌（蓝色曲线）、铅（青色曲线）以及不锈钢（SS）与自由悬挂的电极（黑色曲线）在电化学性能上的差异。结果显示，使用锌或铅作为电流收集材料可以有效防止铜和不锈钢的腐蚀，从而减少金属离子的释放和沉积，改善电极性能。而使用自由悬挂的电极则能够延长循环寿命，因为其内部结构更加均匀，减少了因不均匀的电化学反应导致的机械应力和副反应，如氢气析出（HER）。

XμCT分析进一步揭示了电极在循环过程中的结构演变。对于刮刀涂布电极，其内部结构保持了良好的均匀性，氧化锌颗粒在整个电极厚度内得到了均匀的还原，形成了金属锌丝，并且电极内部没有明显的裂纹或结构损伤，这表明其具有较高的机械稳定性和电化学活性。相比之下，热压电极在循环过程中出现了明显的结构退化，包括裂纹的形成和边缘的劣化，这些现象导致了机械稳定性下降、离子和电子传输受阻，以及性能的逐渐衰减。特别是，在热压电极中，氧化锌颗粒的还原不均匀，部分区域的氧化锌未被完全转化，形成了局部的锌沉积和裂纹，进一步加剧了性能退化。

研究还强调了电极结构和厚度对电池性能的影响。刮刀涂布电极由于其较薄的活性层和均匀的结构设计，能够更有效地利用氧化锌活性材料，从而在较低的电解液体积下实现较高的比容量和较长的循环寿命。这种设计不仅提高了电化学反应的效率，还降低了副反应的发生概率，如氢气析出和金属腐蚀，从而提升了电池的整体性能和稳定性。

此外，研究中还考虑了实际应用中的其他关键因素，如电池外壳材料的选择和电极制造工艺的优化。通过使用不同类型的电流收集材料和结构设计，可以有效减少金属离子的腐蚀和沉积，提高电池的循环稳定性和使用寿命。研究还指出，优化电极配方和结构设计，有助于实现高活性材料利用率和良好电化学性能的平衡，从而为锌基电池在实际应用中的发展提供了重要的理论和技术支持。

总之，本研究通过系统地评估电极材料、制造工艺和设备设计对锌基电池性能的影响，揭示了在实际应用中实现高性能和长循环寿命的关键因素。刮刀涂布电极由于其均匀的结构和优化的粘结剂配方，表现出优于热压电极的性能，这为锌基电池在可持续能源存储领域的应用提供了新的思路和方向。研究结果不仅有助于提升锌基电池的性能，还为未来在可再生能源集成和智能电网等领域的应用奠定了基础。