锌离子电池(ZIBs)凭借其高理论容量(820 mAh g-1，5854
mAh cm-3)、低还原电位(-0.76 V vs. SHE)、资源丰富和环境友好等优点，成为锂离子电池(LIBs)的潜在替代品。ZIBs还具有较高的离子导电性和内在安全性，使其非常适用于智能可穿戴设备。在ZIBs的架构中，阳极的性能是决定电池整体性能的关键因素。为了有效匹配具有3至4
mAh cm-2面积容量的金属氧化物阴极，阳极需要采用不超过8.5 μm厚的超薄锌箔，以实现约5 mAh cm-2的锌金属容量。虽然超薄锌箔可以满足容量需求，但其易受连续副反应影响，锌的快速消耗加剧了电极的过早失效。此外，生产如此薄的锌箔技术复杂、成本高昂，目前市场上最薄的锌箔也仅为20 μm，仍远高于实际应用所需的容量要求。厚度为100或200 μm的锌箔被广泛用作阳极，但其容量过剩和厚度问题降低了电池的能量密度，同时较差的抗变形能力限制了柔性电池的发展。相较而言，锌粉阳极在成本效益和大规模处理方面表现出显著优势。锌粉作为干电池的传统阳极材料，其独特的球形微结构和高比表面积具备以下显著特点：一，高效电化学性能：较大的比表面积提高了电化学反应效率，增强了充放电速率，并加速了Zn2+的传输；二，应力缓冲与分散：锌粉颗粒间的间隙提供膨胀缓冲，防止应力集中和裂纹形成；三，锌金属利用率高：锌粉的颗粒结构允许通过调整颗粒大小分布和剂量来优化负/正(N/P)质量比，从而提升阳极的利用率；四，柔性材料兼容性：锌粉与柔性材料的良好兼容性，为柔性或可穿戴电池的开发提供了可能性。
鉴于此，南通大学微电子学院秦琳博士及合作者对锌粉(Zn-p)基阳极在锌离子电池(ZIBs)中的机遇与挑战进行了全面分析，阐明了其不同于传统锌箔的工作与失效机制，并重点介绍了优化电池性能的先进阳极设计策略。此外，还详细探讨了Zn-p基阳极制造工艺的优缺点。在此基础上，评估了Zn-p基阳极的应用潜力，并深入分析了其在推动储能系统发展中的能力。这篇综述的及时发布不仅将为未来的研究提供指导，还预计将显著推动储能领域的技术进步。其成果以题为 "Comprehensive Review
for Zinc Powder Anodes: Significance, Optimizing Design, and Industrial
Feasibility in Zinc-Ion Batteries" 在国际知名期刊 Energy Storage Materials 上发表。本文第一作者为南通大学微电子学院秦琳博士，通讯作者为南通大学化学化工学院钱涛教授，周金秋副教授。
⭐阐述了锌粉基阳极的结构优势及挑战：通过分析锌粉基阳极的结构特点及其对电化学性能的影响，包括增强的表面积、高效的离子传输路径，以及颗粒结构在优化负/正(N/P)质量比中的重要作用。深入探讨了锌粉基阳极在实际应用中面临的挑战，包括枝晶生长、极化电压迅速增大、气体生成和电极粉化等问题。此外，还分析了由加工方法差异引起的电极性能变化等问题。
⭐总结了近年来锌粉基阳极的优化策略：总结了优化锌粉基阳极性能的策略，包括电子导电剂、离子-电子导电复合结构的引入，应力缓释，防腐工艺，以及Zn2+沉积通道的建立，以提高锌粉阳极的电化学性能和循环稳定性。
⭐柔性电极制造以及柔性电池应用：综合评估了锌粉基阳极在制造工艺、成本效益和工业规模处理方面的优势与劣势，并探讨了其在柔性设备领域的潜在应用。
⭐深入分析了锌粉基阳极面临的挑战，展望未来发展方向：对如何克服现有挑战并进一步提升锌粉基阳极的性能和适用性提供了科学指导，强调了其在推动下一代锌离子电池技术中的重要作用。
图1. 典型水系锌离子电池的结构以及商业使用的正极、负极和电解质材料(a) 锌箔负极和 (b) 锌粉负极的失效模式；(c)中性或轻微酸性电解质中锌粉负极副反应的示意图；(d) 在电流密度1 mA cm-2下，锌对称电池中，经5个循环后，锌粉负极的SEM图；(e) 锌在水溶液中的Pourbaix图；(f)锌粉负极在3 M 硫酸锌电解液中静置的气体演化分析图及 (g) XRD图谱。 图3. 水系锌离子电池中基于锌粉负极的机遇与挑战示意图
图4. 基于锌粉的电池中含电子导体的负极结构设计机制(a) 锌粉/碳纳米管负极的制备示意图；(b) 集成碳纳米管和聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)粘结剂的三维自支撑磷化锌基负极的结构示意图；(c) 通过真空过滤技术制备的三维多孔锌-碳纤维(3D ZnP/CF)负极的示意图；(d) 利用多功能石墨烯(PG)构建锌粉负极的设计示意图；(e) 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像和 (f) 锌在MXene (002) 晶面之间的初始异质种子界面的原子级示意图；(g) 碳包覆锌粉负极制备流程的示意图；(h) 氮掺杂碳包覆锌粉负极制备流程的示意图。图5. 基于锌粉电极电池中混合离子-电子导体的负极结构设计机制
(a-c) 基于锌粉的三维稳定负极(锌@海藻酸锌和聚丙烯酰胺)的制备过程示意图；(d) 由均匀混合的锌粉、碳纳米管和纳米纤维素组成的柔性复合膜负极(ZCN)的结构示意图；(e-f) 锌箔和锌粉-混合离子电子导体(Zn-P-MIEC)在锌剥离/镀层循环过程中形态演变的示意图；(g) 锌粉-混合离子电子导体(Zn-P-MIEC)制备流程的示意图。图6. 基于锌粉负极的应力释放调控机制
(a) 根据德博拉数，液态至固态的多样化凝聚态物质的流变性质；(b) 半液态负极和锌箔/锌粉负极在循环过程中形态演变的示意图；(c) 在固态和半固态锌金属负极中锌的溶解/沉积电化学过程；(d) 与传统刚性电极系统(聚合物作为粘结剂)相比，在软固体状粘弹性电极系统中(低聚物作为粘结剂)锌沉积的优势示意图。图7. 基于锌粉负极表面合金化以减轻腐蚀的设计机制
(a) In@锌粉基负极的制造流程示意图；(b) 3D Zn-In@CNFs电极的制造流程示意图；(c) In@锌粉基负极的扫描电子显微镜(SEM)图像及分别对应的Zn和In元素的能谱(EDS)映射图；(d) 由CNFs连接的多孔导电网络在Zn-In@CNFs电极中的示意图；(e) 裸锌粉基负极和Bi@锌粉基负极的镀膜/剥离行为示意图。 图8. 锌粉用Cu集流体改性策略
电解液中锌粉@铜老化后析氢现象的数码图像：(a) 初始状态，(b) 老化10小时后；(c) 原位光学显微镜观察到的氢气泡；锌粉@铜结构演变的扫描电子显微镜(SEM)图像：(d) 初始状态，(e) 120小时后，(f) 200小时后；锌粉@铜的横截面：(g) 初始状态，(h) 老化50小时后，(i) 老化120小时后。
图9. 基于晶面工程调控Zn2+离子沉积的设计机制
(a) PEG分子在锌的不同晶面上的吸附能；(b)循环前后锌粉及锌粉/PEG结构变化的示意图；(c) PEG在锌粉表面的作用示意图；(d)循环前后电池厚度变化。
图10. 基于沉积和剥离通道建立的Zn2+离子沉积调控设计机制的研究进展
(a) 自支撑锌粉基负极(标记为ZP-Grad)与碳纳米管和EVA的制造流程示意图；(b) 在ZP-Grad电极中理想的自下而上且无枝晶的锌沉积行为示意图；(c) 锌粉及含PEGDA的锌粉基负极(Zn-PD)在锌剥离/镀层循环中的形态演变示意图；(d) PEGDA的分子结构；(e) 锌粉基负极及 (f) Zn-PD负极分子动力学(MD)模拟。图11. 对水系电解液的改性以提高锌粉基AZIBs电极性能
(a) 锆磷酸盐(ZrP)制备过程的示意图；(b) 由于引入ZrP，循环过程中动态界面的示意图；(c) 未添加TD界面稳定剂时；(d) 添加TD界面稳定剂后，在硫酸锌电解液中的锌沉积过程示意图。图12. 锌粉基负极的电极制造技术及其对性能的影响
(a) 通过3D打印技术制备的3DCEP-MXene/锌粉气凝胶与排列对齐过程的示意图；(b) 使用DIW技术在不可扩展表面上制造符合要求的ZIBs的示意图；(c) 通过静电纺丝技术制备的PVDF/PAN@锌粉纤维薄膜(PF@Zn)的示意图。图13. 四种典型制造技术制备的锌粉基锌离子电池(ZIBs)负极的各自优势和劣势比较
图14. 锌粉负极与固态电解质的柔性应用
(a) 湿法纺丝纤维形状柔性锌基电池(ZMBs)制造过程的示意图，可用于可穿戴能源储存纺织品；(b) 单个微电池单元的平面和弯曲状态的照片；(c) 放置在拇指上的单个微电池单元，标尺：5 mm;(d) 通过所有DLP制成的MBs的不同形状，包括并行条带、圆形循环、剪纸、热带鱼、树和房屋，标尺：3 mm；(e) 超薄一体式锌离子电池(ZIBs)的示意设计流程。图15. 锌粉基锌离子电池(ZIBs)的功能性柔性应用
(a) 通过引入可逆温控的PHE来实现冷却恢复功能的示意图；(b) 不同温度下含40% (w/w) PHE及其相应的聚合物链构型(小图)的照片；(d, e) 在冷却时间演变过程中(-5 °C)PHE湿润锌电极表面的行为；锌电极的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像：(c) 未处理的锌电极，(f) 被PHE完全湿润的锌电极；(g) 聚合物电解质合成过程的示意图；(h) ABSPEs表面分子间力的示意图；(i) HPEs表面分子间力的示意图。锌粉基负极因其众多优势在能源存储设备中展示了相当的潜力，包括提高负极利用率和适应多样化加工技术的独特优势。在取得实质性进展之前，需要解决几个与锌粉基负极相关的挑战，包括由于比表面积增加而导致的更严重的副反应、连续循环中极化电压的快速上升、严重的气体产生引起的电池膨胀、电极粉化以及由粘结剂等添加剂引起的电接触问题，这些问题都限制了其工业规模应用。本综述讨论了锌粉基负极的挑战和机制，总结了从电极设计角度的优化策略，并根据应用领域概述了制造技术。尽管锌粉基锌离子电池(ZIBs)已取得显著进展，但仍需进一步探索。考虑到上述基本问题，未来对锌粉基负极的研究可能会聚焦于以下几个方面。为了提升锌粉基电极的性能和稳定性，需要对电极材料的多个方面进行优化：a) 均匀的锌粉颗粒：锌粉颗粒的均匀性在防止枝晶形成和保证循环过程中均匀沉积方面起着关键作用。通过对锌粉颗粒的形状、尺寸和结晶度进行理论设计，可获得优化的属性，从而抑制枝晶和副反应的发生。b) 原位SEI层：有效的原位SEI层对于保护锌粉颗粒免受不良副反应和枝晶生长的影响至关重要，可避免短路并延长电池寿命。可以采用电解质添加剂或表面涂层等先进技术，促进形成稳定的保护性原位SEI层。c) 纳米结构材料与集流体的集成：将石墨烯或碳纳米管等纳米结构材料与传统集流体(如铜箔或钛箔)集成，代表了一项重要的进步。这些纳米结构可增强电导率，并为电极提供强大的机械支撑，从而缓解循环充放电过程中产生的物理应力。d) 新型导电粘结剂的开发：包括离子导体和电子导体在内的导电粘结剂对于提高电极的整体导电性和稳定性至关重要。这些粘结剂不仅有助于充放电过程中电子的高效传输，还能促进离子的传递。通过以上优化策略，可显著延长锌粉基电极材料的使用寿命，提升其在未来可持续能源储存系统中的潜力。实现锌粉基电极的工业规模生产面临着多重挑战，包括需要可扩展的制造工艺，以确保一致性、效率和成本效益：a) 与锂电池生产线的集成：由于锌粉基电池和锂电池在电极材料、组装工艺和电解液配方上的差异，改造现有生产设施需要调整制造工艺，例如调整电极涂覆技术并优化干燥过程参数，以适应锌粉基电池的特性。b) 电解液的大规模制备：水系电解液的成分通常含有昂贵、易挥发、腐蚀性或易燃的化学物质。这不仅增加了生产放大、储存和运输过程中的成本和安全风险，还对规模化应用构成挑战。开发准固态/固态电解质可以提高电池安全性，同时提升能量密度和稳定性，从而在确保性能的同时减少潜在的安全风险。c) 锌粉基电池设备设计：定制设计提供了高精度和高性能，但成本较高且生产复杂。相较之下，软包设计成本更低且适应性强，是大规模生产的理想选择，但在结构强度和热管理方面可能存在不足，甚至可能加剧枝晶形成和氢气释放等问题。未来发展需通过技术创新和优化，在降低成本的同时增强其物理和热稳定性。d) 锌金属的回收：高效的锌金属回收方法对于实现可持续性至关重要。通过开发先进的回收工艺，可以确保原材料的稳定供应，降低成本并减少环境影响。通过针对性优化解决这些挑战，将实现锌粉基电池的成功工业化规模应用，从而满足行业对效率、可持续性和成本效益的要求。扎实的理论基础对于指导电极材料和工业化过程的优化至关重要：a) 原位表征技术的应用：原位表征技术(如X射线衍射、电子显微镜)可让研究人员直接观察并了解锌电极在循环过程中的结构和化学演变。这些数据可为改进电极设计和电解液配方提供指导。b) 理论计算的引入：密度泛函理论(DFT)等理论计算可深入揭示副反应、沉积过程和SEI层形成的机制，从而支持更理性地设计电极材料和电解液。实验与计算方法的结合将加速高性能锌粉基电极的发展。c) 机器学习的应用：机器学习在锌粉基负极的制备中起着重要作用，尤其是在材料筛选、电池设计、性能预测和故障诊断方面。通过高通量计算，机器学习可以快速评估材料性能，优化电池结构，实现电池性能的实时监控和管理，并快速识别故障和退化问题。实验和理论方法的结合，对于优化材料性能和电池设计至关重要，最终将推动锌粉基电池实现高效且可靠的长期应用。图16. 锌粉基负极的未来展望
LinQin, JinqiuZhou*, MeizhuSun, XiuzhenYang, XiaoweiShen, ChenglinYan, TaoQian*,
Comprehensive review for zinc powder anodes: Significance, optimizing design,
and industrial feasibility in zinc-ion batteries, Energy Storage Materials,
Volume 74, January 2025, 103917
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103917
第一作者：
秦琳 南通大学讲师，博士，主要从事半导体材料与储能器件、纳米功能材料与光学性能等方面的研究。以第一作者/通讯作者在J. Colloid Interface
Sci., J. Phys. Chem. C, Inorg. Chem., J. Alloy. Compd.,等国内外高水平期刊发表论文20余篇。
通讯作者：
周金秋 南通大学副教授，硕士生导师，江苏省双创博士。致力于新型储能材料与器件的研究，包括高性能锂硫电池、极端环境电池、原位电化学表征及理论计算模拟等。目前以第一作者及通讯作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem.等国内外高水平期刊发表论文30余篇；主持国家自然科学基金项目1项；获2024年度中国石油和化学工业联合会科学进步(基础研究)二等奖，2024年度江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文奖，2022年度江苏省可再生能源学会科学技术一等奖，2023年度南通市第十三届自然科学优秀学术论文一等奖；担任cMat, CleanMat, Information & Functional Materials青年编委。
钱涛 南通大学教授，化学化工学院副院长(主持工作)，江苏省杰出青年基金获得者，江苏省“333高层次人才培养工程”培养对象，南通大学青年学者联谊会首任会长，南通市绿色氢氨能源存储与转换重点实验室主任，教育部学位论文评审专家，海安南京大学高新技术研究院产业顾问，“中国科技期刊卓越行动计划”入选期刊Rare Metals优秀青年编委。主要从事固态电池、锂硫电池、氢氨燃料电池等方面的研究，近年来主持国家自然科学基金面上项目等省部级以上项目9项；以通讯/第一作者在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Natl. Sci.
Rev.、Adv. Mater.等国际、国内顶级期刊共发表SCI 论文210余篇，引用一万余次，H因子56；授权国家发明专利35项，转让17项；获中国石油和化学工业联合会2024年度科学进步(基础研究)二等奖，中国发明协会2024年度发明创业奖成果奖二等奖，江苏省可再生能源学会2022年度科学技术奖一等奖。
[1] Baojiu Hao, Jinqiu Zhou*, Hao Yang, Changhao Zhu, Zhenkang Wang, Jie Liu,
Chenglin Yan, Tao Qian*, Concentration polarization induced phase
rigidification in ultralow salt colloid chemistry to stabilize cryogenic Zn batteries[J].
Nature Communications, 2024, 15, 9465.[2] Jinqiu Zhou, Lifang Zhang, Mingji Peng, Xi Zhou, Yufeng Cao, Jie Liu,
Xiaowei Shen, Chenglin Yan, Tao Qian*. Diminishing Interfacial Turbulence by
Colloid-Polymer Electrolyte to Stabilize Zinc Ion Flux for Deep-Cycling Zn
Metal Batteries[J]. Advanced Materials, 2022, 34, 2200131[3] Yang Zhou,
Xuyan Ni, Baojiu Hao, Xi Zhou*, Chenglin Yan, Jinqiu Zhou*, Tao Qian. A mini review: How to select
electrolyte additives for better Zn anode electrochemistry?[J]. Energy Storage
Materials, 2024, 66, 103227.[4] Changhao Zhu, Xuye He, Yun Shi,
Zhenkang Wang, Baojiu Hao, Wanhao Chen, Hao Yang, Lifang Zhang, Haoqing Ji, Jie
Liu, Chenglin Yan, Jinqiu Zhou,* Tao Qian*, Strong Replaces Weak: Design of
H‑Bond Interactions Enables Cryogenic Aqueous Zn Metal Batteries[J]. ACS Nano
2023, 17, 21614.[5] Xiaowei Shen, Wanhao Chen, Haocong
Wang, Lifang Zhang, Baojiu Hao, Changhao Zhu, Xiuzhen Yang, Meizhu Sun, Jinqiu
Zhou*, Xuejun Liu*, Chenglin Yan, Tao Qian*, Selectively “size-excluding” water
molecules to enable a highly reversible zinc metal anode[J]. Chemical Science,
2024, 15, 10182.(1)海内外著名高校(研究机构)毕业的优秀博士或博士后，学术研究成果特别突出，有成为拔尖人才的潜力；(2)以第一作者或通讯作者发表领域顶级期刊3篇(Adv. Mater., Angew. Chem.及以上)；(3)研究方向为固态电池，水系电池，电化学合成氨，氨燃料电池。联系邮箱：qiantao@ntu.edu.cn(钱老师)https://hgxy.ntu.edu.cn/2020/0909/c5704a150815/page.htm水系储能 Aqueous Energy Storage 声明![]()
本公众号 AESer 致力于报道水系储能前沿领域的相关文献快讯，如有报道错误或侵权，请尽快私信联系我们，我们会立即做出修正或删除处理。感谢各位读者的支持与宣传，同时欢迎广大科研人员投稿与合作，具体事宜可发送邮件至aqueousenergystor@126.com，或添加下方小编微信，我们将在第—时间回复您。
