锌喷涂碳纤维作为低成本锌离子电池的贫阳极：性能提升与可持续储能新策略

推荐：为解决锌离子电池(ZIBs)中枝晶生长、析氢反应(HER)和腐蚀等关键问题，同时实现锌资源高效利用，研究人员开发了一种基于碳纤维基底的锌喷涂(SCZn)贫阳极策略。该阳极在0.5 mA cm?2 下实现1000次循环，深度放电(DOD)达传统锌箔阳极的10倍，并显著抑制枝晶生长。与商用V2 O5 阴极组装的电池展现出370 mAh g?1 的高比容量，为电网级储能提供了低成本、可持续的解决方案。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的激增，传统锂离子电池(LIBs)因成本高、安全性差等问题面临挑战。锌离子电池(ZIBs)凭借锌资源丰富、理论容量高(820 mAh g^?1
)和本征安全性成为理想替代品。然而，ZIBs的产业化仍受制于三大瓶颈：锌负极的枝晶生长、析氢反应(HER)和腐蚀问题，以及传统厚锌箔导致的材料浪费。更棘手的是，现有贫阳极策略如电沉积法存在循环性能差、规模化困难等缺陷。如何通过简单、低成本方法实现高性能贫阳极，成为推动ZIBs实用化的关键突破口。

针对这一挑战，澳大利亚昆士兰科技大学的研究团队创新性地将工业镀锌技术移植到能源领域，开发出锌喷涂碳纤维(SCZn)贫阳极。这种阳极通过冷喷涂技术在碳纤维基底上构建微米级锌颗粒(2-10 μm)的3D导电网络，不仅将锌用量减少至传统锌箔的1/10，还实现了16%的深度放电和超1000次循环寿命。相关成果发表于《Materials Today Sustainability》，为电网级储能提供了兼具性能与成本优势的新方案。

研究团队采用多尺度表征与电化学测试相结合的方法：通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)解析锌颗粒的形貌与晶体结构；利用X射线衍射(XRD)分析晶面取向；采用循环伏安法(CV)和恒电流充放电(GCD)评估电化学性能；结合电化学阻抗谱(EIS)和塔菲尔曲线量化界面动力学与腐蚀行为；最后通过原位光学显微镜和COMSOL多物理场模拟揭示枝晶抑制机制。

材料设计与结构特性
SEM显示SCZn阳极的3D碳纤维骨架成功负载球形锌颗粒，EDS证实锌均匀分布且纯度达99%。TEM观察到锌颗粒呈现多晶特性，SAED图谱与XRD共同验证其六方密排(hcp)结构。值得注意的是，SCZn的(002)晶面取向占比显著高于锌箔，这有利于诱导锌的横向生长而非垂直枝晶。

电化学性能突破
在对称电池测试中，SCZn在0.5 mA cm^?2
和0.5 mAh cm^?2
条件下稳定循环1100小时，极化电压仅25 mV，远低于锌箔的150 mV。更惊人的是，其腐蚀电流密度低至5×10^?7
mA cm^?2
，比锌箔降低600倍。计时电流法证实SCZn的3D结构可实现均匀锌沉积，而原位观察显示其表面仅形成致密锌层，而非锌箔的"叶状"枝晶。

全电池性能验证
与商用V₂
O₅
阴极组装的电池在1 A g^?1
下循环760次后容量保持率达95%，且N/P比(阳极/阴极质量比)从传统体系的53降至5。这意味着锌利用率提升10倍，同时电池能量密度提高30%。

该研究通过跨学科技术融合，将工业级锌喷涂工艺转化为高性能电池制造技术。其核心创新在于：①利用碳纤维的3D导电网络缓解电镀应力，抑制枝晶；②微米锌颗粒降低成核势垒，促进均匀沉积；③等离子体处理增强电极润湿性，优化界面动力学。这种"工业技术+能源材料"的研究范式，不仅为ZIBs产业化提供了可直接放大的解决方案，更开创了利用传统工艺革新储能材料的新思路。从可持续发展视角看，该技术可直接整合废锌回收流，推动"从废料到电网"的循环经济模式，对实现双碳目标具有战略意义。