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文 章 信 息
揭开无负极锌金属电池的奥秘：从关键挑战到可行的解决方案
第一作者：李莹
通讯作者：伊廷锋*
单位：1.东北大学材料科学与工程学院；2. 广西大学化学化工学院，广西电化学能源材料重点实验室；3.宁波大学材料科学与化学工程学院；4.东北大学秦皇岛分校，河北省电介质与电解质功能材料重点实验室
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研 究 背 景
无负极金属电池因其理论能量密度高、结构简单、成本最低等优点而备受关注。在过去的几十年里，世界见证了具有无锂金属负极的“摇椅”型锂离子电池的成功商业化。水性锌离子电池 （ZIBs）因其安全、经济、环保和电解质的高离子电导率而引起了众多研究人员的关注。然而，Zn金属电池的实际应用主要受到Zn金属负极树枝状枝晶生长的阻碍，导致其循环寿命差，甚至存在不安全问题。因此，以无锌金属负极材料取代传统的锌金属负极是开发高性能水性锌离子负极的重要一步。另外，关于这一主题的全面综述还比较少。因此，系统地回顾新兴的“摇椅”型锌离子电池，即用无Zn主体阳极代替Zn金属阳极是非常有必要的。
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文 章 简 介
近日，来自东北大学的伊廷锋教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Unveiling the Mysteries of Anode-Free Zn Metal Batteries: From key challenges to viable solutions”的观点文章。该文章系统地总结了金属/合金、金属氧化物、金属硫族化合物、MXene材料、有机化合物、原位固态电解质界面膜稳定无锌负极和其他无锌负极的发展，并展望了此类材料在水系锌离子电池中面临的挑战和发展前景。这项工作为无锌负极的设计和开发提供新的策略。
图1. 主要的无锌负极材料示意图。
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本 文 要 点
要点一：无金属负极概述
“摇椅”锂离子电池（LIBs）为“摇椅”型的锌离子电池未来的发展和方向提供了有力的参考。“摇椅”型的ZIBs表现出与“摇椅”LIBs相当的结构和机制，其中Zn的是主体不再是Zn金属。“摇椅”型ZIBs由负极集流体、无锌金属负极、电解液、隔膜、正极集流体和富锌正极组成。无锌金属“摇椅”型ZIBs的工作机理也是基于二价锌通过电解质在负极和正极之间可逆穿梭。在充电过程中，从正极侧脱出的二价锌通过电解液浸泡的隔膜扩散，然后嵌入负极。在放电过程中，二价锌又通过电解质浸渍隔膜从负极反向嵌入正极。无锌金属负极避免了锌箔/锌粉材料的使用，降低了电池的整体重量和体积，从而显著提高了无锌金属负极电池的能量密度。此外，没有锌金属可以避免相应的金属箔/金属粉末的处理和制造程序，从而节省了成本。进一步的，有限的锌有利于抑制析氢，确保电池安全。
要点二：“摇椅”型ZIBs的无锌负极
“无阳极”锌电池的概念，旨在在无锌集流体上电镀锌金属，以实现100%的高活性锌利用率。在这种情况下，这种设计可以减轻锌负极的重量，以提高锌电池的能量密度。基于无锌金属负极的策略，可以抑制Zn枝晶的生长和副反应的发生，提高器件的安全性和循环稳定性。这种无锌金属负极材料必须稳定并具有适当的层结构才能正常运行。目前，常用的无锌负极材料主要为金属/合金、过渡金属硫族化合物、过渡金属氧化物、Ti3C2Tx基材料、有机化合物等材。
要点三：原位SEI膜稳定无锌负极
这类“摇椅式”ZIBs负极一般采用铜箔、钛箔、不锈钢箔和碳纸这类材料，通过改变电解液，即电解质工程实现的。比如添加一些添加剂或者使用共晶、盐包水类电解质。在电池循环过程中，能在负极表面原位生成SEI膜，从而调节锌晶体的生长取向，还可以作为惰性保护层，制HER反应的发生。这种理想的SEI膜一般具有高疏水性以防止锌金属与水接触，并具有高离子电导率以实现快速离子迁移。
要点四：结论与展望
与传统的水系ZIBs相比，无锌金属负极基“摇椅式”ZIBs可以有效避免锌枝晶问题，从而大大提高循环寿命。近年来，“摇椅式”ZIBs的负极研究和开发取得了一些具有巨大潜力的成果，但仍处于起步阶段。目前报道的负极材料大多为插层型负极材料，大多数插层型负极材料的综合性能有待提高，特别是在循环寿命方面，无法满足实际需求。因此，未来的研究可以集中在设计和合成新型无锌负极材料，特别是通过化学改性和结构优化来提高其电化学性能和离子导电性。发展多功能复合材料（如有机-无机复合材料）可能是提高无锌负极性能的有效途径。这些复合材料可以结合有机材料的优点和无机材料的高导电性，从而实现更好的电化学性能。优化与无锌负极匹配的电解液配方。通过界面工程技术改善无锌负极与电解液之间的相互作用，优化SEI的形成，以提高电池的循环稳定性和效率。采用更加先进的表征技术（如原位表征、电子显微镜等）来深入理解无锌负极材料的电化学行为和反应机制，从而为材料的优化提供指导。注重高能量密度电池、柔性和可穿戴设备以及环境友好型电池的开发。
图2. 无锌负极的应用前景。
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文 章 链 接
Unveiling the Mysteries of Anode-Free Zn Metal Batteries: From key challenges to viable solutions
https://authors.elsevier.com/a/1kVR38Z1RY9XDx
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通 讯 作 者 简 介
伊廷锋教授简介：东北大学教授(三级)、博士生导师，秦皇岛分校副校长，主要研究领域为电化学。主持完成国家自然科学基金项目5项，先后入选安徽省教坛新秀(2013)、安徽省技术领军人才(2015)、江苏省双创人才(2019)、河北省333人才工程第二层次人选(2019)、河北省普通本科院校教学名师(2021)、河北省师德标兵(2023)、河北省拔尖人才(专技)(2024)、2019年度科睿唯安(Clarivate Analytics)材料科学(Materials Science)领域和交叉领域(Cross-Field)“Top 1%审稿人”、全球Top 2% Scientists榜单(2020-2024)、全球顶尖前10万科学家排名(2022-2024)，获第十四届河北省青年科技奖(2019)、河北省自然科学二等奖(排名第一)。担任《物理化学学报》高级编委。近年来，在Energy & Environmental Science、Advanced Functional Material(4篇)、Applied Catalysis B: Environmental、Science Bulletin(2篇)、Energy Storage Materials(7篇)、Coordination Chemistry Reviews(11篇)、Nano Energy(3篇)、Journal of Energy Chemistry (9篇)等国际期刊上发表第一/通讯作者论文230余篇，他引11000余次，H因子60，28篇论文入选ESI高引论文，8篇论文入选ESI热点论文，授权排名第一发明专利16项。作为主编出版《锂离子电池电极材料》《钠离子电池技术与应用》著作2部，其中前者入选“十三五”国家重点出版物出版规划项目，获2020年度化学工业出版社优秀图书奖。
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第 一 作 者 简 介
李莹：东北大学材料科学与工程专业2022级博士研究生
近年来先后以第一作者身份在物理化学学报、Rare Metals、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表论文6篇，获得河北省优秀硕士学位论文，主持完成中央高校基本科研业务费优秀学生科研创新项目和河北省研究生创新项目各1项。主要研究方向为水系锌离子电池。
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课 题 组 介 绍
目前，课题组成员包含教授1名、副教授1名、讲师2名；博士生4名、硕士生16名。主要研究方向包括碱金属离子电池、水系电池、固态电池、电催化及其第一性原理计算、液流电池、锂硫电池、锌空气电池、生物质材料等电化学能量存储与转化研究热点。
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课 题 组 招 聘
课题组常年招聘研究生，欢迎有化学、化工、材料学及物理学背景的同学攻读博士研究生、硕士研究生。联系方式：tfyihit@163.com。
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