锌电池的枝晶问题

高安全和高能量密度的水系锌电池被认为是非常有前途的下一代电子产品储能技术之一。近年来，水系锌电池得益于高性能正极材料和电解液的开发展现出蓬勃发展的趋势。然而，金属锌负极严重的枝晶问题仍制约着水系锌电池的产业化应用。

有鉴于此，香港城市大学支春义教授（点击查看介绍）团队在前期工作的基础上（电化学愈合锌枝晶：Adv. Mater., 2019, 31, 1903778；石墨炔离子隧道诱导锌离子再分布抑制锌枝晶：Adv. Mater., 2020, 32, 2001755），多元化剖析了锌枝晶的成核机理机制，系统综述了锌负极方面的研究进展，通过多种金属负极横向对比突出了金属锌负极的独特优势与枝晶保护策略，基于金属锌负极沉积溶解的水系电解液环境呈现了其独特的研究技术方案和理论分析方，首次提出了金属负极界面的动态接触概念，突出了金属负极与电解液之间的界面稳定性科学问题，并尝试提出了未来高放电深度和和大电流密度下锌负极保护所面临的挑战。

图1. 金属锌负极与其他常见金属负极的对比。图片来源：Adv. Mater.

锌电池面临的挑战：

(1) 动态接触引发的界面接触失效

人工界面层被开发用来调控离子流迁移与沉积，然而，金属负极的沉积与溶解伴随着巨大的体积变化，这往往导致界面层与金属负极的分离，这种界面分离问题在机械形变的情况下会得到进一步放大。因此，从结构和化学层面强化界面接触将会是未来发展方向。

图2. 动态接触引发的金属锌负极的界面接触失效。图片来源：Adv. Mater.

(2) 原子级离子流调控

当前金属负极的离子流调控仍主要依赖于多级孔道的空间诱导，基于超离子导体晶体结构间隙的精细化调控在未来金属负极的枝晶抑制中展现出很好的应用前景。

(3) 从实验室研究到产业化应用

当前，实验室研究水系锌电池的正极负载量水平基本位于0.3 mAh cm^-2，而负极锌片的厚度整体在100 μm以上，存在着明显的负极过量现象，严重制约着电池整体的能量密度，结合当前商业化镍锌电池以及锂金属电池的经验，率先提出了未来锌负极的评估标准，即放电深度达到30%。

图3. 当前水系锌离子电池评估的基本容量和电流水平。图片来源：Adv. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是香港城市大学杨琪博士和博士生李清。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dendrites in Zn-Based Batteries

Qi Yang, Qing Li, Zhuoxin Liu, Donghong Wang, Ying Guo, Xinliang Li, Yongchao Tang, Hongfei Li, Binbin Dong, Chunyi Zhi

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001854

导师介绍

支春义

https://www.x-mol.com/university/faculty/35062