一种高性能的水基锌混合离子电池，采用双载体插脱式正极和无枝晶结构的锌负极

《Materials Today Energy》：A high-performance aqueous zinc hybrid-ion batteries with dual carrier insertion/extraction cathode and dendrite-free zinc anode

本研究设计了一种基于高质PBAs型无粘结阴极、金属Zn阳极和K+/Zn2+混合电解液的 aqueous Zn混合离子电池。通过在改性碳布表面生长N掺杂碳纤维阵列和KFeCs纳米立方体，阴极实现了K+和Zn2+的可逆共插入/脱出，同时K+在Zn阳极表面富集形成静电屏蔽，有效抑制枝晶生长。电池在1 mA cm?2下比容量达0.73 mAh cm?2，20 mA cm?2下循环1000次后容量保持率75%，并成功制备柔性软包电池，具有实用潜力。

　　近年来，随着全球能源需求的不断增长和对可持续能源解决方案的迫切需求，研究者们对高效、安全、经济的储能技术进行了广泛探索。在众多储能体系中，可充电水系锌离子电池（ZIBs）因其使用水性电解质、资源丰富、安全性高等优势，被认为是下一代大规模储能系统的有前景候选。然而，尽管ZIBs展现出良好的应用潜力，其发展仍面临两大主要挑战：一是阴极材料的性能受限，二是金属锌阳极上严重的枝晶形成问题。这些问题不仅影响电池的循环寿命和能量密度，还可能带来严重的安全隐患，如隔膜穿透和内部短路。因此，开发高性能的阴极材料和有效的枝晶抑制策略成为提升ZIBs性能的关键。

在这一背景下，研究者们提出了一种基于高质量普鲁士蓝类似物（PBAs）型无粘结剂阴极、金属锌阳极和水性K?/Zn2?电解液的水系锌混合离子电池（HIB）设计方案。该方案通过优化阴极材料的结构和电解液组成，有效提升了电池的电化学性能并显著抑制了锌枝晶的形成。具体而言，无粘结剂阴极（CC/CKFeCs）的制备方法是将高度结晶的钾铁氰化高铁酸盐水合物纳米立方体（KFeCs）生长在经过修饰的碳布（CC）基底上，该基底表面覆盖有氮掺杂的碳纤维阵列（CFAs）。这种结构设计不仅增强了材料的导电性，还为K?和Zn2?离子的可逆共嵌入/脱出提供了理想的通道，从而提高了电池的反应动力学和能量密度。

在电池的充放电过程中，阴极材料能够同时容纳K?和Zn2?离子，使得这两种离子的嵌入和脱出过程协同进行，避免了传统阴极材料因单一离子嵌入而导致的缓慢扩散和低容量问题。同时，水性K?/Zn2?电解液中的K?离子在充放电过程中倾向于在锌阳极表面富集，形成一层静电屏蔽层，从而有效抑制锌枝晶的生长。这种枝晶抑制机制不仅提升了电池的循环稳定性，还显著延长了电池的使用寿命，使其在大规模储能系统中具有更高的可行性。

实验结果显示，组装的水系锌混合离子电池在1 mA cm?2的电流密度下表现出高达0.73 mAh cm?2的可逆面积容量，在20 mA cm?2的高电流密度下仍能保持0.39 mAh cm?2的容量，且经过1000次循环后容量保持率高达75%。这些数据表明，该电池在高功率密度和长循环寿命方面具有显著优势。此外，研究者们还成功制备了一种柔性软包装的水系锌混合离子电池，进一步验证了其在实际应用中的潜力。这种柔性电池不仅适用于可穿戴设备、柔性电子器件等新兴领域，还为未来的大规模储能系统提供了新的思路和解决方案。

为了进一步优化电池性能，研究者们对阴极材料的制备工艺进行了深入研究。首先，通过电沉积方法在清洁的碳布基底上生长出聚吡咯纳米线阵列（PPy NWAs），随后通过高温热解过程将其转化为氮掺杂的碳纤维阵列（CFAs）。这种碳纤维阵列不仅提高了基底的导电性，还为后续KFeCs的生长提供了稳定的支撑结构。接着，通过低温共沉淀方法在CFAs基底上生长出KFeCs纳米立方体，形成最终的无粘结剂阴极材料（CC/CKFeCs）。这一过程确保了阴极材料的高结晶度和良好的结构稳定性，从而提高了其在充放电过程中的电化学性能。

此外，研究者们还对电池的电解液配方进行了优化。通过合理设计K?和Zn2?的浓度比例，以及引入适当的添加剂，进一步提升了电解液的离子传输效率和稳定性。这种电解液设计不仅能够促进K?和Zn2?离子的共嵌入/脱出，还能有效抑制锌枝晶的形成，从而提高了电池的整体性能。实验结果表明，优化后的电解液能够显著提升电池的循环寿命和容量保持率，使其在实际应用中更加可靠。

在电池的性能测试中，研究者们采用了多种表征手段，包括电化学测试、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等。这些测试手段不仅验证了阴极材料的结构和性能，还揭示了电池在充放电过程中的离子传输机制和枝晶形成过程。例如，通过SEM和TEM观察发现，无粘结剂阴极材料的表面具有良好的离子扩散通道，而锌阳极表面则形成了稳定的静电屏蔽层，有效抑制了枝晶的生长。这些发现为进一步优化电池性能提供了重要的理论依据和实验支持。

综上所述，这项研究通过设计一种基于高质量PBAs型无粘结剂阴极、金属锌阳极和水性K?/Zn2?电解液的水系锌混合离子电池，成功解决了传统ZIBs在阴极性能和枝晶形成方面的关键问题。该电池在高功率密度和长循环寿命方面表现出色，具有广泛的应用前景。未来，随着对阴极材料和电解液配方的进一步优化，以及对电池结构的深入研究，水系锌混合离子电池有望在大规模储能系统中发挥更加重要的作用。