鋅負(fù)極的枝晶和副反應(yīng)嚴(yán)重限制了水系鋅基電池在電網(wǎng)規(guī)模儲能中的應(yīng)用。雖然表面/界面改性策略在改善鋅負(fù)極的可逆性方面取得了一些進(jìn)展，但仍不足以從晶相角度解決整體調(diào)節(jié)和內(nèi)在機制問題。

在此，天津大學(xué)胡文彬，韓曉鵬等人介紹了一種基于粉末冶金法的體相復(fù)合 Zn/CNTs 負(fù)極。得益于晶界工程對局部電導(dǎo)率、電場分布和鋅原子吸收能的調(diào)控，Zn/CNTs 負(fù)極在鋅剝離/沉積循環(huán)過程中有效抑制了枝晶的生長并增強了耐腐蝕性。配備 Zn/CNT4 負(fù)極的對稱電池具有更高的循環(huán)穩(wěn)定性，電壓滯后極小（僅為 22 mV）。此外，將 Zn/CNT4 與商用 MnO₂ 結(jié)合在一起的全電池在循環(huán) 500 小時后顯示出卓越的倍率性能和比電容保持率。

圖2. 鋅沉積抑制枝晶策略的機理分析

總之，該工作提出了一種優(yōu)化的體相策略，通過對晶界局部微環(huán)境的工程化處理來實現(xiàn)鋅的高度可逆沉積，這與傳統(tǒng)的鋅負(fù)極表面和界面控制方法截然不同。利用粉末冶金技術(shù)，作者成功合成了CNTs均勻分布在鋅晶界的Zn/CNTs體相復(fù)合負(fù)極材料。與商用鋅箔相比，體相復(fù)合 Zn/CNTs 負(fù)極在鋅剝離/沉積過程中具有更好的抑制枝晶和耐腐蝕性能。

研究表明，CNTs 在晶界中的富集導(dǎo)致了良好的局部導(dǎo)電性、均勻的電場分布以及晶界上均勻的鋅原子吸收能。得益于Zn/CNTs體相復(fù)合負(fù)極的獨特優(yōu)勢，采用Zn/CNT4負(fù)極的對稱電池具有長期循環(huán)壽命，電壓滯后低至≈22 mV，而采用Zn/CNT4和商用MnO₂配置的全電池在循環(huán)500 h后具有最佳的倍率性能和比電容保持率。這種鋅負(fù)極的體相優(yōu)化策略以及對晶界工程的基本理解，為設(shè)計高度可逆和穩(wěn)定的鋅金屬負(fù)極開辟了一條可行的途徑，也可將其推廣到其他金屬負(fù)極。

圖2. 電池性能

Bulk-Phase Grain Boundaries Regulation Enables Highly Reversible Zn Anodes for Rechargeable Aqueous Zn-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202312469