李会巧教授， Advanced Materials观点：锌电池，别再只盯着锌沉积了！

第一作者：郭雁鹏

通讯作者：李会巧*

单位：华中科技大学、江汉大学

水系锌金属电池凭借无燃爆风险、成本低廉、锌资源储量丰富等核心优势，成为电网级储能领域的理想候选体系，更是碳中和背景下储能技术的重要发展方向。长期以来，科研界的研究重心始终聚焦于锌沉积过程，通过多种调控策略实现锌的均匀沉积，大幅提升了半电池的循环性能。但在实际应用的全电池体系中，半电池与全电池的性能差距依旧十分显著——这一痛点的核心症结之一，在于基于无锌正极的全电池中，锌负极的初始溶解过程被严重忽视。本文重点阐述了首次锌溶解过程至关重要却长期被低估的作用。我们首先解析无锌正极体系的运行机制，阐明首次脱锌如何动态重构负极及其界面结构。通过分析脱锌过程复杂的多步行为，对比其与电沉积在机理上的差异，并评估以沉积为核心的策略所存在的局限。随后，我们评述了当前通过优化溶解过程提升全电池性能的相关方法。最后，面向未来多场景应用，我们认为研究必须关注脱锌动力学、化学–力学–热响应以及锌负极晶体学特性之间的复杂耦合关系。这种从以沉积为核心转向全循环导向的研究范式转变，对于释放锌金属负极在电网级储能及更广阔领域的应用潜力至关重要。

近日，华中科技大学李会巧教授团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“From Plating-Centric to Full-Cycle Design: A Perspective on the Critical Role of Zinc Anode Stripping”的观点文章。该观点文章系统阐述了锌负极溶解过程的核心作用，明确提出研究范式需从“以沉积为中心”向“沉积-溶解双效、全周期设计”转变，为破解水系锌金属电池实用化难题指明了全新方向。

水系锌金属电池与锂金属电池的核心差异之一，在于其广泛采用无锌正极（如锰基氧化物、钒基氧化物、普鲁士蓝类似物等）。这类正极自身不预先储存锌离子，要求电池首次循环必须以锌负极的强制溶解为开端，为正极提供充足的锌离子，才能完成充放电循环。

而此前的绝大多数研究，均聚焦于解决锌沉积过程中的枝晶生长、析氢副反应等关键问题，并发展出三大核心调控策略：

1. 负极结构设计：构建3D主体/支架结构，有效限制锌负极的体积变化、引导锌均匀成核，从空间上抑制枝晶生长；
2. 界面重构技术：制备人工界面层，实现锌负极的防腐、抗析氢，同时细化成核位点、均匀离子传输通量；
3. 电解液工程优化：调控电解液组成与溶剂化结构，降低水分子反应活性、提升锌沉积动力学性能，同时形成稳定的固体电解质界面（SEI）。

这些策略确实让半电池实现了致密均匀的锌沉积，库伦效率大幅提升，但半电池中过量的锌负极，恰好掩盖了溶解过程的不均匀性问题。而在实际全电池体系中，未经过优化的初始溶解过程，会引发锌负极微观形貌、界面化学、晶体织构的不可逆重构，成为后续电池循环性能衰减的“隐形元凶”——这也是半电池与全电池存在显著性能鸿沟的核心原因之一。

很多人将首次强制溶解简单理解为“逆沉积”，但实际上，锌负极的首次溶解会触发多维度的级联式演化，从根本上决定电池后续循环的稳定性，具体主要体现在三个方面：

研究证实，锌溶解是一个包含锌原子晶格自扩散、界面电化学氧化、锌离子扩散解吸的多步复杂过程，与锌沉积过程存在本质的热力学和动力学差异，二者无法简单视为“逆过程”——这也是此前针对锌沉积的优化策略，在全电池中可能面临失效的核心原因，具体差异体现在三个方面：

1. 界面吸附行为反转：沉积（还原）过程中，带负电的锌表面会吸附阳离子，易引发电解液还原分解并形成SEI层；而溶解（氧化）过程中，带正电的锌表面会吸附阴离子，触发全新的电解液分解路径，此前形成的SEI层会发生非共形坍塌，失去保护作用。
2. 反应路径与力学应力不同：锌沉积会对SEI层产生向外应力，基底会为锌成核提供模板，引导低表面能晶面生长；而锌溶解会导致SEI层向孔内坍缩，高表面能晶面优先溶解，且新鲜锌表面的暴露会引发更严重的化学腐蚀，进一步破坏电极结构。
3. 能垒与表面能演化相反：锌溶解的能垒分布、表面能变化与沉积过程完全相反，那些优化锌沉积的界面层或电解液，在溶解过程中可能引发锌负极严重钝化或局部点蚀，加剧表面粗糙化，反而恶化电池性能。

此外，溶解过程还有两大关键特性值得关注：一是溶解过程中的析氢反应比沉积过程更显著，新鲜锌表面对水分子的吸附增强，化学腐蚀成为析氢反应的主要诱因；二是溶解形成的坑洞边缘，极易成为后续锌沉积的枝晶生长位点，且枝晶的不完全溶解会持续生成死锌，逐步降低电极的可逆性。

同时，正极在首次放电时，还会通过离子穿梭、体系pH变化、氧化还原反应等方式，与锌负极的溶解过程产生“交叉作用”，进一步加剧溶解的不均匀性，放大全电池的性能衰减问题。

目前，锌溶解的相关研究仍处于起步阶段，除上述核心问题外，其过程还涉及力学应力、热效应、晶体学特性的复杂耦合，这也是后续研究需要突破的关键难点：

1. 热-电化学耦合：锌的比热容较低，在高电流密度充放电过程中，产生的焦耳热会显著影响锌原子扩散、离子传输效率和界面反应速率；而热分布的时空异质性，会进一步引发锌负极局部优先溶解，加剧性能不均；同时，温度还会调控溶解的动力学机制（扩散控制/反应控制）和界面产物的组成结构。
2. 化学力学失效：溶解过程中形成的局部应力，会引发锌负极出现微裂纹、结构坍塌；SEI层的脆性使其在应力作用下易开裂，电解液渗入裂纹后会加剧锌负极的腐蚀；此外，锌负极的收缩与正极的膨胀存在体积不平衡，影响电池的实际应用可靠性。
3. 晶体-热-力学的相互依存：锌的不同晶面，其反应活性、耐腐蚀性、析氢能垒存在差异，且对热输入、力学应力的响应具有各向异性；晶体学特性、热效应、力学应力三者形成复杂的反馈回路，共同决定锌溶解行为的稳定性。

李会巧教授团队在该综述中明确提出，水系锌金属电池的研究必须从“以沉积为中心”向“沉积-溶解双效、全周期设计”转变，核心目标是实现锌负极形貌在多次充放电循环中的拓扑不变性——这也是水系锌金属电池实现实用化的关键突破口。未来的研究方向主要集中在五大方面：

1. 设计动态自适应界面：人工界面/SEI层不仅要能引导锌均匀沉积，还需在溶解过程中保持良好的机械稳健性和离子导电性，同时具备自修复能力，避免新鲜锌表面直接暴露，减少腐蚀和副反应。
2. 开发耦合动力学电解液：通过电解液工程解耦锌离子的溶剂化结构，同时实现高镀锌均匀性和低溶解界面能垒；设计可在沉积/溶解过程中均吸附于锌凸起处的添加剂，均匀电极表面的电化学场，同时抑制枝晶生长和局部溶解。
3. 构建拓扑稳定的3D主体：将3D支架从单纯的导电骨架，升级为锌润湿-沉积均化框架，实现自下而上的锌沉积和自上而下/由表及里的协同溶解，将锌有效锁定在基体中，防止死锌形成和锌与集流体脱离。
4. 发展先进的原位/操作表征技术：利用原位显微镜、同步辐射、操作光谱等先进表征技术，可视化锌负极沉积-溶解全周期的形貌演化，精准解析沉积/溶解过程的界面化学成分和离子传输特性，为策略设计提供坚实的实验基础。
5. 探究溶解的力-热-晶体学耦合机制：结合原位应力传感器、化学力学建模，绘制溶解过程的应力演化规律；通过操作热成像技术研究溶解的热特征，设计适配的热管理系统；开发晶体取向调控添加剂，实现锌的各向同性溶解，提升溶解均匀性。

水系锌金属电池的发展，早已超越了“单纯抑制枝晶和析氢”的初级阶段。对锌负极全周期行为的深入理解，尤其是对被忽视的溶解过程的精准调控，成为突破其实用化瓶颈的核心关键。从“以沉积为中心”向“沉积-溶解双效、全周期设计”的范式转变，要求科研界打破单一过程的研究局限，兼顾沉积-溶解过程的耦合与差异，深入探究力、热、晶体学的多场耦合效应。

唯有通过多维度、协同化的策略设计，实现锌负极沉积-溶解过程的双效优化，才能真正解锁其高库伦效率、长循环寿命的核心潜力，推动水系锌金属电池在电网级储能及更多场景的规模化应用，为碳中和目标的实现提供坚实的储能技术支撑。

From Plating-Centric to Full-Cycle Design: A Perspective on the Critical Role of Zinc Anode Stripping

李会巧教授简介：华中科技大学材料科学与工程学院教授，华中卓越学者。国家高层次人才特殊支持计划科技领军人才、国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才计划、湖北省百人计划特聘教授、湖北省楚天学者特聘教授、湖北省杰出青年。主要从事锂/钠离子电池、固态电池、柔性储能器件及电池微纳原位分析的研究。迄今在能源材料和储能技术领域申请发明专利26项，授权22项，发表SCI论文300余篇，论文被引用>19000次，H因子73，20篇论文入选ESI高倍引论文。以第一作者/通讯作者在Nature Materials, Nature Review Materials, Science Adv., Matter, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater., J. Am. Chem. Soc.，Angew Chem. Int. Ed.等国际期刊上发表论文130余篇；主持国家级科研项目12项、省部级及企业合作项目10项；担任中国材料学会青委会委员、中国材料学会纳米材料与器件分会理事、中国金属学会材料科学分会理事等；担任《Chemical Synthesis》，《SmartMat》，《InfoMat》，《Chinese Chemical Letters》等7本期刊的编委或客座编辑；入选科睿唯安全球高被引科学家及全球前2%顶尖科学家榜单。