铋引导的腔体约束突破锌粉阳极稳定性与利用率之间的权衡 开放获取

《Chemical Science》：Bismuth-Guided Cavity Confinement Breaks the Stability-Utilization Trade-off in Zinc Powder AnodesOpen Access

　　

水系锌离子电池（AZIBs）的实际应用因锌负极可逆性差而受到严重制约，其根源在于枝晶生长、界面副反应以及电绝缘"死锌"形成所构成的自我放大循环。在此，我们报道了一种喷雾组装的三维铜网支撑颗粒状锌负极，其中锌颗粒被内层铋中间层和外层碳封装壳所包覆（3D-C/Bi@Zn-p）。与常规的表面稳定化策略不同，这种表面工程化结构实现了一种独特的界面引导、腔体限域的内向沉积机制。在剥离过程中，锌从颗粒内核中被选择性地提取出来，留下一个坚固的铋-碳复合壳，其中嵌有孤立的内部空腔。在随后的电镀步骤中，钝化的碳外层有效地抑制了寄生反应并阻止锌在外表面成核，而内层铋层则提供了一个高亲锌界面，动力学上引导Zn2+专门沉积到空腔内部。因此，锌的沉积在空间上被限制在孤立的空腔中，有效抑制了向外生长的枝晶并消除了短路的风险。得益于这种腔体限域的内向沉积行为，3D-C/Bi@Zn-p负极实现了接近100%的库仑效率，并在10.8%高锌利用率下于1 mA cm-2的电流密度下实现了创纪录的超过10,000小时的稳定循环。值得注意的是，在108%的超高锌利用率下仍能保持稳定的锌沉积/剥离，远超大多数实验室规模研究中常用的<1%锌利用率。此外，当与缺氧V2O5-x正极配对时，在贫负极条件下（N/P=2.4，约30.3%锌利用率）全电池可实现211.6 Wh kg-1的能量密度，并在1,000次循环后保持81.2%的容量保持率，性能优于大多数已报道的AZIBs。这种界面引导的腔体限域内向沉积策略为可逆金属负极建立了新的空间限域范式。

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? 2026 作者。由皇家化学会出版

2026

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