宁波大学苗鹤教授，Energy Storage Materials文章：碱性电解液中锌电极的研究进展：当前挑战与优化策略

第一作者：邱栋阳

通讯作者：苗鹤

单       位：宁波大学

锌(Zn)作为一种安全、丰富且低成本的负极材料，在碱性环境中具有快速的反应动力学和高能量密度。结果，碱性锌电池(AZBs)，例如锌空气电池、锌银电池、锌锰电池和锌镍电池已成功开发并商业化。然而，这些电池中的锌电极仍然面临一些严峻的挑战，例如锌沉积不均匀、析氢、表面钝化。针对这些问题，人们对锌电极采取了一系列的优化策略，包括调节锌电极的成分、形貌和结构，优化电解质-电极界面和电解质的组成等。在此，本文重点关注反应机制，碱性锌电极当前面临的挑战和采用的解决方案。然后提出了碱性锌电极的研究重点、发展方向和发展建议。

近日，宁波大学的苗鹤教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“A review on zinc electrodes in alkaline electrolyte: Current challenges and optimization strategies”的综述论文。该文章回顾了反应机理，碱性锌电极当前面临的挑战，同时汇总了碱性锌电极在解决方案上的最新研究进展。

锌（Zn）作为一种安全、丰富、低成本的负极材料，在碱性环境中具有快速反应动力学和高能量密度。碱性锌电池具有低成本和高安全属性，具有广阔的商业前景。碱性锌电池包括锌空气电池、锌钴电池、锌镍电池、锌银电池、锌锰电池、锌铋电池和锌铜电池等。目前，几种碱性锌电池已经商业化，包括可充电锌镍电池、一次锌锰电池和锌空气电池。

碱性锌电池中的锌电极面临以下挑战：

（1）在碱性溶液中，锌在充电过程中会沉积在随机位置，导致连续循环后电极形貌变化和枝晶生长，锌枝晶甚至可以刺穿隔膜使电池短路;

（2）特别是在电解液量有限的密封电池中，锌电极析出的氢气会消耗电解液，并升高电池的内部压力，而产生的氢气泡会阻塞离子通路，导致电池库仑效率低;

（3）随着电化学反应的进行，由于电解液中氢氧根离子浓度较低，或由于半开放式碱性锌电池系统中锌沉积不均匀、析氢反应、电解液碳化等原因造成锌酸根离子过饱和，未反应的锌表面会形成氧化锌钝化层，阻碍电极/电解液界面上的离子转换，导致锌电极利用率低、充放电能力差。上述问题概括为不均匀的锌沉积（电极变形和锌枝晶）、析氢反应和表面钝化。

针对锌电极的表面钝化、电极变形、锌枝晶和碱性电解液中的析氢等问题，提出了四种主要策略。首先是优化锌电极的结构、成分和形态，如开发三维多孔锌电极或锌合金电极。第二种是通过构建与 SEI 功能类似的人工界面，优化锌电极与电解质之间的界面。第三是优化电解质类型、成分和添加剂。第四是优化充放电机制，如充放电时间、电流和电压。

（1）大多数研究都强调对锌电极的电化学测量。事实上，电池的整体性能更值得关注。例如，电极添加剂的引入会不可避免地降低活性锌的比例，从而不可避免地降低 AZB 的比容量密度。同时，当引入电解质添加剂以提高锌电极的循环能力或耐腐蚀性时，添加剂通常会增加电池的整体阻抗，从而影响 AZB 的功率密度和放电性能。

（2）锌电极在碱性电解质中会发生自腐蚀，长期储存后会降低电池容量，这一点在实际工业应用中尤为重要。然而，很少有研究涉及锌电极的储存性能。此外，AZB 通常以可变功率放电，而大多数研究都没有评估 AZB 在这种放电条件下的性能。

（3）单一的解决方案不足以解决锌电极的所有问题，因此建议同时采用多种策略来解决锌电极的问题，例如在具有三维多孔结构的锌阳极中引入添加剂，以缓解三维多孔锌电极的自腐蚀问题。

（4）对各种策略的基本认识和理论研究还不是很清楚。目前对锌电极的测试大多仍基于非原位测试。因此，建议使用原位方法来揭示锌电极在充放电过程中的反应机理和演化机制。

A review on zinc electrodes in alkaline electrolyte: Current challenges and optimization strategies

苗鹤教授

1979年出生，博士。宁波大学教授、博士生导师。2008年博士毕业于浙江大学材料科学与工程专业，同年加入中科院宁波材料技术与工程研究所，2017年加入宁波大学，2019年赴新加坡南洋理工大学留学。宁波市百名创新人才、宁波市领军与拔尖人才、宁波市“3315”创新团队核心成员，国家重点领域创新团队核心成员。研究领域：燃料电池、金属空气电池、海水分解制氢、退役锂电池回收。在Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、Chem. Commun.、J. Power sources等国际知名期刊上发表论文80余篇，授权国家发明专利30余项，其中15项专利技术转移或授权至企业进行产业化，所开发技术培育高科技公司2家。