综述：通过界面纳米结构实现稳定且无枝晶的锌金属阳极，用于水系锌离子电池

《Advanced Functional Materials》：Stable and Dendrite-Free Zinc Metal Anodes Via Interface Nanoarchitectonics for Aqueous Zinc-Ion Batteries

aqueous锌离子电池（ZIBs）因成本低、安全性和高理论容量成为下一代储能器件的潜力选择。然而，锌负极面临枝晶生长、析氢反应（HER）、腐蚀及钝化等问题，制约其应用。本文系统综述了抑制这些问题的策略：1）锌负极表面改性，包括碳基（如石墨烯、碳纳米管）、金属（如Au、Ag、Sb）、无机材料（如TiO?、ZnS、MXene）及有机聚合物（如PVDF、PVA）涂层，通过调控界面电场和离子传输实现均匀沉积；2）电解液优化，采用添加剂（如PEO、TFSI?）、水-盐电解质（WIS）及固态电解质（如聚合物凝胶、MXene复合电解质）抑制副反应并增强离子导电性；3） separators工程，通过功能化材料（如石墨烯涂层、MOFs）改善离子传输路径并抑制枝晶穿透。此外，混合策略（如表面-电解液-隔膜协同优化）和先进表征技术（如原位光学显微镜、计算流体力学）被提出以进一步提升性能。未来需解决规模化制备、低成本材料及长循环稳定性问题，结合AI和机器学习加速材料设计。 中文关键词： 锌离子电池 | 锌负极改性 | 枝晶抑制 | 电解液工程 | 分隔器优化 | 界面调控 | 多策略协同 | 智能材料设计

　　锌离子电池（ZIBs）作为一种新兴的电化学储能系统，因其低成本、资源丰富性、优异的安全性和高理论储电能力而备受关注。然而，其储能能力和循环稳定性常受到锌（Zn）负极相关问题的限制，例如枝晶形成、氢气析出反应（HER）、腐蚀和钝化。为提高ZIBs的整体电化学性能，必须深入分析这些负极反应的根本原因，并探索相应的缓解策略。本文旨在探讨Zn负极面临的挑战，包括其反应机制，并详细讨论通过负极、电解液和隔膜的改性来改善枝晶生长和副反应的策略。此外，还总结了不同改性方法对Zn负极与电解液界面优化的影响。最后，提出了可能的材料设计策略，以提升Zn负极、电解液和隔膜的性能，从而推动ZIBs的未来发展。

### 1. 引言

随着现代经济和社会的发展，对电力的需求呈指数级增长，预计到2050年将翻倍。实现这一目标的关键在于开发高效、可靠的电化学储能（EES）系统，以增强电网的稳定性。EES在这一过程中发挥着至关重要的作用，为可再生能源（如风能、光伏、海洋能和地热能）的间歇性和广泛分布性提供了可靠解决方案。在众多EES中，可充电电池尤其重要，是便携电子设备、电动车辆（EVs）和大规模电网的重要动力来源。自20世纪90年代初锂离子电池（LIBs）投入市场以来，其高能量密度和长循环寿命被视为电化学储能技术的里程碑。然而，LIBs也面临一些问题，如高成本和锂资源的有限性。因此，寻找替代的储能技术成为研究热点，其中多价金属离子电池（如Mg2?、Ca2?、Zn2?、Al3?）因其利用丰富的多价阳离子和相应的多电子转移反应而受到关注。锌离子电池（ZIBs）在这些多价电池中表现尤为突出，因其成本效益和安全性。与传统LIBs相比，ZIBs使用锌金属负极和锌离子储藏正极，通过锌的剥离/沉积和正极的插入/脱出过程实现电能的储存和释放。此外，ZIBs采用水性电解液，这不仅降低了其可燃性，还提高了环境兼容性，使其成为更环保的储能选择。

### 2. 锌负极的挑战

锌金属作为ZIBs的负极材料，因其高理论容量、低成本和易获取性而被广泛使用。然而，锌负极在实际应用中仍然面临诸多挑战，主要包括枝晶形成、HER和腐蚀问题。这些挑战不仅影响电池的容量和寿命，还可能引发短路，导致电池失效。枝晶的形成主要由于锌离子在电极表面的不均匀沉积，这会降低库仑效率（CE）并引发短路。同时，HER会消耗电解液中的水分，造成负极腐蚀，从而降低电池性能并增加安全隐患。此外，钝化层的形成也会加速容量衰减，缩短电池寿命。因此，解决这些挑战对于推动ZIBs的实际应用至关重要。

### 3. 锌负极表面改性

为解决锌负极的问题，研究者们提出了多种表面改性策略，包括碳涂层、金属涂层、无机材料和有机化合物的使用。碳涂层因其高导电性和结构稳定性，被广泛用于改善锌负极的性能。例如，Yin等通过在锌负极表面涂覆多孔碳材料，有效抑制了枝晶的形成并提高了锌沉积的均匀性。此外，金属涂层如金、银等，因其对锌离子的高亲和力，有助于形成均匀的沉积层，减少副反应。无机材料如氧化锌、硫化锌等，通过形成保护层，降低了锌的腐蚀和HER的发生。有机材料如聚酰胺（PA）和金属有机框架（MOFs）也被用于锌负极的改性，通过调节锌离子的溶剂化结构和沉积行为，提升电池的稳定性。这些改性策略不仅改善了锌负极的电化学性能，还为ZIBs的商业化提供了技术支持。

### 4. 电解液的改性

电解液的改性是改善锌负极性能的重要手段之一。通过调节电解液的浓度、离子溶剂化结构和界面化学，可以动态控制锌的沉积过程，形成稳定的固态电解质界面（SEI）并抑制不必要的副反应。例如，高浓度电解液（如ZnCl?）通过减少自由水分子的活性，有效降低了HER的发生。此外，水-盐电解液（WIS）和功能添加剂也被用于改善锌负极的稳定性。WIS电解液通过高盐浓度降低了水分子的自由度，从而抑制了锌枝晶的形成。功能添加剂如聚乙二醇（PEG）和三乙醇胺（TEA）通过调节锌离子的沉积行为，提升了电池的循环性能。这些电解液改性策略为ZIBs的性能提升提供了新的思路。

### 5. 隔膜的改性

隔膜的改性同样在ZIBs的稳定性和安全性中起着关键作用。通过优化隔膜的材料和结构，可以有效控制锌离子的传输路径，减少枝晶的形成。例如，使用具有选择性离子通道的隔膜材料，如金属氧化物、聚合物和碳基材料，可以提升锌沉积的均匀性。此外，自组装隔膜和复合隔膜（如纤维素与石墨烯氧化物的结合）也被用于提升ZIBs的性能。这些改性方法不仅改善了锌负极的稳定性，还为ZIBs的商业化提供了技术基础。

### 6. 结论与未来展望

尽管锌离子电池在理论上展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，锌负极的枝晶形成、HER和腐蚀问题限制了其循环寿命和稳定性。为克服这些挑战，研究者们提出了多种改性策略，包括表面改性、电解液优化和隔膜改性。这些策略的综合应用有望显著提升ZIBs的性能和寿命。然而，目前的研究仍存在一些不足，如实验室成果难以在实际应用中实现，以及改性方法的可扩展性和成本效益问题。因此，未来的研究需要更加关注实际应用中的问题，如电极材料的合理配比、电解液的稳定性以及电池的制造成本。此外，引入机器学习和人工智能等先进工具，可以加速ZIBs的研发进程，提高其商业化可行性。这些创新将有助于推动锌离子电池技术的进一步发展，使其成为未来可持续能源存储的重要组成部分。