『水系电池』吴兴隆&徐宾刚&赵景新&刘兴泉Angew：一种三层高尔夫型复合阳极用于超长寿命的锌锰水系电池

锌-锰水系电池（ZMABs）因其优越的安全性和经济可行性而备受关注。目前，锌箔是主要用于ZMABs的阳极材料。然而，由于其低的利用率和制备过程中固有的复杂性，其在工业中的实际应用受到了较大的限制。将锌粉用作ZMABs的阳极时，其成本效益、出色的可加工性和可调节的制备手段而备受研究者们的青睐。

然而，与锌箔相比，锌粉的比表面积显著增加，固态球形实心结构使得锌阳极更加复杂和难以操作。锌粉阳极由于长时间的不均匀电镀/剥离而容易出现不可控的电接触损失，导致活性物质从电极上分离，从而导致电池极化的增加和库仑效率的降低。此外，由于锌粉阳极的杨氏模量低、离子传输障碍高且在水系电解液中易腐蚀，因此在ZMABs的循环过程中容易发生枝晶生长、析氢反应和Zn-Mn在电极上的非均质沉积。因此，开发稳定耐用的锌粉阳极对于提高ZMABs的循环性能至关重要。

基于此，电子科技大学的刘兴泉教授、香港理工的赵景新博士、徐宾刚教授和东北师范大学的吴兴隆教授合作，采用渗锌和液相还原策略构建了一种三层高尔夫型复合阳极为研究对象，增强了锌粉基阳极的可逆性并用于高性能的锌/锰水系电池。具有低Zn²⁺输运屏障的三层高尔夫阳极保证了Zn（002）的优先沉积，有效诱导了平面沉积模式，从而抑制了锌枝晶的形成。组装的锌锰全电池实现了超长循环寿命，在2 A g⁻¹的条件下，经过16000次循环后，容量保持率为94.6%。本研究提出的粉末渗锌策略及锌粉基阳极的合理设计为锌锰水系电池的应用提供了新的思路。

该成果以题为“A Three-Tiered Golf Anode towards Ultralong-Life Zn-Mn Aqueous Batteries”在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表。本文第一作者为电子科大博士生胡强，电子科大为第一单位，通讯作者为电子科大刘兴泉教授、香港理工赵景新博士、徐宾刚教授和东北师范大学吴兴隆教授。

1，高尔夫型复合阳极不仅提供了丰富的连续界面以促进电子的高效转移，还有效减小了锌金属在重复电镀/剥离过程中产生的体积膨胀与收缩。

2，铋纳米片与锌离子之间存在较高的吸附能，从而增强了电化学过程中的Zn²⁺的传输，诱导Zn(002)晶面沉积在电极表面。这种平面沉积机制有效抑制了锌枝晶的形成。

3，铋金属的包覆抑制了锌金属/电解液界面的析氢反应，限域且交联的碳球可以在锌金属电镀/剥离过程中保持结构稳定，从而有效地抑制了锌粉的电接触损失。

图1. 传统锌粉阳极与制备的高尔夫型复合阳极的化学机制对比。

本文报道了通过高温渗锌和液相还原的两步策略制备了一种三层高尔夫型复合阳极，其具有高稳定性和耐久性。研究发现，独特结构的锌碳铋复合阳极不仅为电子转移提供了连续丰富界面，还有效减轻了锌金属在电镀/剥离过程中产生的体积膨胀与收缩。理论计算与实验表征结果表明，铋纳米片与锌离子之间存在较高的吸附能，不仅降低了电化学过程中Zn²⁺的传输障碍，还能够诱导Zn(002)晶面沉积在锌阳极表面。这种平面沉积机制有效抑制了锌枝晶的生长。此外，铋金属界面的构建抑制了锌金属/电解液界面的析氢反应，交联的碳球还能够在锌金属电镀/剥离过程中保持结构稳定，从而有效地抑制了电极的电接触损失。电池测试结果表明，在2 A g⁻¹的大电流密度条件下，锌锰全电池经过16000次循环后，容量保持率仍然高达94.6%，远远超过了使用纯锌粉ZP//CNT@MnO₂全电池的循环寿命。

Qiang Hu, Xinrui Wang, Jiuzhi Cui, Jiabing Hou, Xingquan Liu,* Jia-Lin Yang, Zhen-Yi Gu, Jingxin Zhao,* Bingang Xu,* and Xing-Long Wu*, A Three-Tiered Golf Anode towards Ultralong-Life Zn-Mn Aqueous Batteries