在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，積極發(fā)展新能源和清潔能源是必行之事。而具有高能量密度、成本低、安全環(huán)保等優(yōu)點的鋅離子電池，有望取代鋰離子電池成為新型便攜式能源儲存設備。在眾多的水系可充電電池候選產(chǎn)品中，鋅離子電池已成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的最佳選擇之一。然而，鋅負極中的枝晶、腐蝕和副反應等問題限制了鋅離子電池的發(fā)展。三維鋅負極的構建對于緩解鋅負極所面臨的問題具有一定現(xiàn)實的意義。

近日，華北理工大學何章興教授、吉首大學吳賢文教授聯(lián)合廈門大學張橋保教授等團隊首次從三維結構的新角度對鋅負極進行全面的綜述，可以快速了解這一領域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，有利于從結構設計的角度發(fā)展高性能鋅離子電池。 其成果以題為“A review on 3D zinc anodes for zinc ion batteries”在國際知名期刊Small Methods，2022，2200597上發(fā)表。本文第一作者為華北理工大學郭娜，通訊作者為華北理工大學何章興教授、吉首大學吳賢文教授和廈門大學張橋保教授。該工作還得到了加州大學圣地亞哥分校劉豪東博士，廈門大學化學化工學院梁漢鋒教授的指導、幫助與支持。 【研究亮點】

本文總結了近年來鋅負極面臨的挑戰(zhàn)，如鋅枝晶、析氫和腐蝕、鈍化。

簡要介紹了鋅負極和三維（3D）鋅負極的儲能機制。

詳細總結了不同結構的三維鋅負極：純鋅負極、鍍鋅負極和其他的3D鋅負極。

闡述了三維鋅負極材料設計面臨的巨大挑戰(zhàn)和機遇。 【圖文導讀】

圖1. 近年來3D鋅負極的代表性工作時間軸圖 三維鋅負極在近幾年經(jīng)歷著快速的發(fā)展和變化。由控制純鋅的顆?；蛄Ｗ臃植级纬啥嗫卒\負極逐步發(fā)展為鍍鋅負極。研究人員在鍍鋅基底材料上做了許多工作，從一種到多種材料復合逐漸摸索，才有了今天的成果。純鋅負極也從結構不穩(wěn)定的顆粒演變成通過腐蝕或脫合金等方法形成的多孔鋅負極。

圖2. 三維鋅負極的分類匯總圖 三維結構的鋅負極可以分為純鋅負極和非純鋅負極?？偨Y近些年的文章，純鋅負極具有多種結構，包括纖維狀鋅負極、多孔鋅負極和脊柱狀鋅負極；非純鋅負極的鍍鋅負極因基底材料的不同，分為金屬材料鍍鋅負極、碳材料鍍鋅負極和其他材料的鍍鋅負極，非純鋅負極還有通過其他方式形成的3D鋅負極。

圖3. 三維鋅負極儲能機制 鋅離子電池的儲能機制，簡單來說，就是鋅金屬與鋅離子的轉(zhuǎn)化過程，放電過程中，負極上的鋅轉(zhuǎn)化為鋅離子，充電過程中，溶液中的鋅離子轉(zhuǎn)化為金屬鋅。在三維結構中儲能也是同樣的過程，不同之處是：鋅離子轉(zhuǎn)為鋅金屬是不單單發(fā)生在負極表面，可以通過三維結構的孔隙發(fā)生在內(nèi)部，從而加速反應的動力學過程。

圖4. 純鋅負極 純鋅負極的結構示意圖和表征表明這些3D結構可以有效增大鋅負極的比表面積，并且可以改變離子遷移通道，為充放電過程中鋅離子的均勻沉積提供有利條件，從而抑制鋅枝晶生長進一步提升電池的性能。

圖5. 金屬基底鍍鋅負極 由于金屬材料具有良好的導電性，它能夠加速電極反應過程中的電子轉(zhuǎn)移。此外，使用具有親鋅性的金屬（銅網(wǎng)，泡沫銅，多孔銅，鎳納米管、多孔鈦等）有利于形成鋅的活性成核位點，實現(xiàn)鋅離子均勻沉積，調(diào)控界面電場，實現(xiàn)無枝晶的鋅負極，延長電池的運行壽命。

圖6. 碳基材料基底鍍鋅負極 碳材料因其可用性高、結構通用性強、制造工藝方便等特點成為目前最受歡迎的候選材料，在電化學領域應用廣泛。碳基材料一般具有較大的比表面積，可以為鋅的成核提供豐富位點，避免枝晶的產(chǎn)生，保證鋅離子的均勻沉積。碳基材料改性鋅負極是優(yōu)化水系鋅離子電池電化學性能的有效策略。

圖7.其他方法獲得的3D鋅負極 除了廣泛使用的電鍍方法，還有一些其他方法獲得3D鋅負極，如碾壓法、真空抽濾法和熔融合金法等。這類方法大多操作簡便，符合電極改性和設計的基本要求。其中，合金策略是近期比較熱門的方法，通過引入異質(zhì)元素，可以抑制鋅枝晶的生長，同時還能減輕電極副反應的發(fā)生，從而有效提升電池的電化學性能。

【結論】

本文全面總結了水系鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn)，包括枝晶生長、析氫和腐蝕以及鈍化問題。簡單介紹了鋅負極以及3D鋅負極的儲能機理。隨后詳細討論了具有不同結構的三維鋅負極。最后，強調(diào)了3D鋅負極材料設計面臨的巨大挑戰(zhàn)和機遇，并對3D結構的設計提出一些建議：（1）多角度觀點共同提升鋅負極性能；（2）合理選擇基底材料穩(wěn)定鋅負極；（3）基底材料改性方向提升電池性能；（4）綜合考慮構建3D鋅負極。我們希望所做的工作能夠為鋅離子電池的發(fā)展做出貢獻。

圖8. 三維鋅負極未來研究方向建議圖

審核編輯 ：李倩