任洋教授、黄云辉教授、李真教授 ACS Nano综述：纳米材料助力水系锌离子电池高效锌负极的研究进展

纳米材料助力水系锌离子电池高效锌负极的研究进展

第一作者：刘方岩

通讯作者：杨家懿*，任洋*

单位：香港城市大学

水系锌离子电池 (AZIBs) 是下一代安全可充电电池的候选者之一，在电化学能源材料和储能设备领域引起了广泛关注。然而，锌金属负极 (ZMAs) 存在的枝晶生长、析氢反应、腐蚀和钝化等问题一直困扰着AZIBs的发展。过去几年中，人们开展了大量研究来提高 ZMAs的稳定性和可逆性。其中，使用具有独特结构和尺寸效应的纳米材料已成为解决ZMAs难题的有效途径和方法。然而，目前缺乏纳米材料在ZMAs中应用并从多个角度讨论纳米材料修饰与锌负极性能之间关系的系统综述。因此，本文全面总结和分析了纳米材料在采用不同改性策略下来增强AZIBs中ZMAs稳定性和可逆性的研究进展和作用机制。我们首先概述了ZMAs面临的挑战，然后系统总结了纳米材料保护ZMAs的相关研究。最后，展望了纳米材料在AZIBs中未来的发展方向和应用前景。

近日，来自香港城市大学的任洋教授、杨家懿博士与华中科技大学黄云辉教授、李真教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Advances of Nanomaterials for High-Efficiency Zn Metal Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”的综述文章。该综述文章首先总结了 ZMAs 存在的问题。随后，详细讨论了纳米材料在保护 ZMAs 方面的最新研究进展，包括电极结构设计、保护层构建、电解质优化和隔膜改性。最后，对采用纳米材料实现ZMAs 的实用化进行了深入的探讨和展望。

图1. 采用各种纳米材料对 ZMA s进行保护的示意图。

要点一：锌金属负极的挑战

在电池反复充放电循环过程中，由于电场和离子浓度分布的不均匀性，锌金属负极（ZMAs）表面Zn²⁺的持续沉积/溶解行为可能引发锌枝晶的生长，枝晶会穿过隔膜继续生长并接触正极，导致AZIBs短路。此外，ZMAs在水系电解液中的固有热力学不稳定性以及循环过程中与氢（H）的竞争反应会带来腐蚀和析氢（HER）等不良副反应。同时，H₂O中H⁺的消耗导致OH^-在负极/电解液界面附近聚集，OH^-容易与Zn²⁺结合生成不利于Zn沉积的绝缘副产物，导致电池容量衰减和循环性能下降。

图2. ZMAs面临的各种挑战。

要点二：纳米材料稳定锌金属负极

近年来，纳米技术利用纳米材料独特的性质，如丰富的孔结构和超高的比表面积，为提升电池的电化学性能提供了可能。纳米材料在缩短离子/电子传输路径、降低局部电流密度、调节电镀/剥离行为以及减轻电池循环过程中的体积变化方面显示出巨大的潜力。因此，为了解决ZMAs的长期局限性，人们利用纳米材料从电极结构设计、人工保护层构建、隔膜改性和电解质优化四个方面开发了各种保护策略。我们系统地概述了纳米材料在ZMAs上的应用和作用机理。这对纳米材料在实用AZIBs中的开发具有重要的意义。

图3. 纳米材料应用于电极结构中保护ZMAs。

图4. 纳米材料应用于表面涂层中保护ZMAs。

图5. 纳米材料应用于电解质中保护ZMAs。

图6. 纳米材料应用于隔膜中保护ZMAs。

要点三：总结和展望

在本综述中，我们系统地概述了锌负极面临的挑战。全面讨论了纳米材料在保护ZMAs方面的最新研究进展，包括电极结构设计、保护层构建、电解质优化和隔膜改性。这些策略基于纳米工程的角度来调控Zn²⁺的平稳沉积，改善负极/电解质界面，抑制不可控的枝晶和有害的副反应，从而实现高效的ZMAs。虽然纳米材料在稳定ZMAs方面发挥了突出的作用，但在材料选择、策略优化、作用机理和大规模应用方面还需要进一步探索。

“Advances of Nanomaterials for High-Efficiency Zn Metal Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries”

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c06008

任洋教授简介：香港城市大学物理系系主任、理学院副院长、物理系讲座教授，香港全球 STEM 教授，同步辐射和中子散射的国际专家，主要从事固体物理研究。2021年加入香港城市大学，之前是美国阿贡国家实验室的资深物理学家，美国先进光源的首席光束线站科学家。长期开发同步辐射和中子散射技术及其在基础研究和应用科学以及工业材料研发中的应用，在同步辐射和中子散射领域有广泛的国际合作。原创性工作已经发表于多个国际权威期刊，包括Nature、Science、Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications、Physical Review Letters、PNAS等，发表SCI论文900余篇，google h-index: 117，引用>5.3万。

投稿请联系contact@scimaterials.cn