锌离子电池的锌金属负极和电解液的研究进展

2025-11-07 14:38:45 作者：本网发布来源：中国腐蚀与防护学报分享至：

锌离子电池的锌金属负极和电解液的研究进展

郑微, 曲冬阳, 孙中辉, 牛利

广州大学分析科学技术研究中心广州 510006

中国腐蚀与防护学报 2025, Vol. 45 Issue (3): 548-562

CSTR: 32134.14.1005.4537.2024.110

DOI: 10.11902/1005.4537.2024.110

摘要: 水系锌离子电池作为一种二次电池，具有安全性好、成本低和能量密度高等优点，有望成为下一代能量存储系统的替代者。作为一种有前景的能量存储装置，水系锌离子电池在众多研究领域都取得了重大进展。但是，锌金属负极的腐蚀问题仍是阻碍其发展的关键因素，这严重削弱了锌离子电池在实际应用中的稳定性和使用寿命。因此，研究如何防止锌金属负极的腐蚀具有极大的应用价值。本文系统总结了水系锌离子电池关于锌金属负极腐蚀防护和电解液优化方面的研究进展，并对其未来进一步的应用前景进行了展望。

关键词：锌离子电池, 锌金属负极, 电解液, 腐蚀防护

图1 裸Zn和Cu@Zn电极的锌沉积过程示意图

Fig.1 Schematic illustrations of Zn deposition process on bare Zn and Cu@Zn electrodes

图2 Zn在ZnIn电极上的沉积行为示意图

Fig.2 Schematic depiction of Zn deposition on ZnIn electrode

图3 负极的原理图：Tar-Zn的合成过程以及裸Zn和Tar-Zn在电解质中的行为

Fig.3 Schematic diagram of the anode: synthesis process of Tar-Zn and the behavior of bare Zn (a) and Tar-Zn (b) in electrolytes

图4 裸Zn和Ti₄O₇@Zn上Zn²⁺还原过程以及Ti₄O₇和Ti₉O₁₇的合成工艺与Ti₄O₇@Zn电极制备示意图，模拟计算的裸Zn和Ti₄O₇@Zn上不同时间的浓度和电流密度分布

Fig.4 Schematic illustrations of Zn²⁺ ion reduction process on bare Zn (a) and Ti₄O₇@Zn (b), and preparations of Ti₄O₇, Ti₉O₁₇ and Ti₄O₇@Zn electrode (c), simulated field distributions of concentration (d, e) and current density (f, g) on bare Zn and Ti₄O₇@Zn after different time

图5 FG@Zn和裸Zn在水溶液中的静止和循环过程示意图

Fig.5 Schematic diagrams of the static and cyclic progress of FG@Zn and bare Zn in an aqueous electrolyte

图6 裸Zn和涂覆Zn的示意图，表明PA层在抑制副反应中的作用

Fig.6 Schematic diagrams of Zn deposition on bare Zn (a) and coated Zn (b), suggesting the role of PA layer in the inhibition of side reactions

图7 502胶保护层制备及其抑制锌枝晶机理的示意图

Fig.7 Schematic diagrams of the preparation of 502 glue protective layer (a)and the mechanism of 502 glue for suppressing Zn dendrite (b)

图8 超声波喷雾以及裸Zn和Nafion/BM@Zn上锌沉积过程的示意图

Fig.8 Schematic diagrams of ultrasonic spraying method (a) and zinc deposition process on bare Zn and Nafion/BM@Zn (b)

图9 含与不含Et₂O添加剂的温和水溶液中锌负极剥离-施镀循环过程中形貌演变示意图

Fig.9 Schematics of morphology evolution for Zn anode in mild aqueous electrolyte with and without Et₂O additive during Zn stripping-plating cyclic process

图10 添加0、0.5%、1.0%、5.0% (质量分数) Cit的2 mol/L ZnSO₄电解质的FTIR光谱以及Cit/ZnSO₄电解质的MD模拟快照和水合Zn²⁺的局部溶剂化结构

Fig.10 FTIR spectra of 2 mol/L ZnSO₄ electrolytes with 0, 0.5%, 1.0%, and 5.0% (mass fraction) Cit addition (a) and MD simulation snapshots of the Cit/ZnSO₄ electrolyte and the local solvation structure of hydrated Zn²⁺ (b)

图11 柔性的ZIBs可以在各种动态变形下为LED灯供电，包括挤压、折叠、弯曲、锤击和扭曲

Fig.11 Flexible ZIBs successfully power LEDs under various dynamic deformations, including pressing, folding, bending, hammering and twisting

结论和展望：

水系锌离子电池因其高能量密度和长循环寿命等优势，近年来已成为新型储能体系领域的最佳选择之一。尽管如此，水系锌离子电池在实用化过程中仍面临许多挑战，特别是锌金属负极容易腐蚀的问题。这一固有的局限性严重阻碍了水系锌离子电池的进一步发展。本文重点总结和分析了水系锌离子电池负极和电解液在防止锌金属腐蚀方面的各种方法，旨在为水系锌离子电池的进一步应用提供参考。

目前，基于水系锌离子电池面临着的不少挑战，未来可以考虑在以下几个方面开展研究：

(1) 新型涂层材料的开发:考虑到各种涂层和化学键之间存在的复杂相互作用，多组分涂层材料之间的协同作用具有深入探索的价值。同时，为确保涂层性能的优化，必须全面考虑界面层的厚度、均匀性以及结合能力等因素。可研究更多不同的保护膜或功能性涂层来防止电极材料的腐蚀，提高电极稳定性和耐用性。如纳米陶瓷涂层，具有高强度、超塑性和耐腐蚀性等，可以用于高温等环境下的防腐，进而有效防护金属的外表面。

(2) 优化固态或凝胶电解质:水系锌离子电池普遍使用的水系电解液中存在大量的活性水，极易发生电化学副反应，导致其使用效率降低、循环寿命缩短。固态或凝胶电解质中水含量较少，能够有效改善水系锌离子电池的稳定性。同时，固态或凝胶电解质具有良好的力学性能和优异的延展性，在可穿戴电子器件领域中有着广泛的应用前景，因此优化固态或凝胶电解质是很有必要的。

(3) 探索新型电解液添加剂:探索一种新型的电解液添加剂，使其能够同时应用于正极和负极界面，不仅能够调控锌离子在锌负极表面的沉积行为，还能优化正极界面的性能，进而提升正极材料的循环稳定性。例如，添加硫醇类化合物作为电解液添加剂，可以有效调节锌离子的表面沉积行为，还可以提高正极材料的电化学性能，从而提高电池的整体性能。此外，开发超亲水电解液添加剂也是一种新颖的策略，能够有效地固定电解液中游离的活性水分子，从而显著抑制由活性水引起的副反应，进一步提升电池的性能。

(4) 复合电解液添加剂的多重作用:目前一系列相对成熟的监护防腐策略和电解液调控方法可有效应用于合金化锌负极。此外，合金与电解液的协同作用具有巨大的发展潜力，有望成为一种新型的锌负极界面工程策略。

(5) 合理设计集流体:可通过设计集流体或对集流体进行结构优化，使其既能承载电极，又能收集电流。以碳纤维集流体为例，不仅能与电极材料高强度结合，还能提高电解液与电极材料的接触面积，从而提升电池的电化学性能。集流体既需要具有较好的导电性能，又能与电极材料牢固结合，不会出现松动、脱落等现象。因此，应注重集流体的材料和结构等优化。

本文引用格式：

郑微, 曲冬阳, 孙中辉, 牛利. 锌离子电池的锌金属负极和电解液的研究进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(3): 548-562 DOI:10.11902/1005.4537.2024.110

ZHENG Wei, QU Dongyang, SUN Zhonghui, NIU Li. Research Progress of Zinc Ion Batteries in Zinc Metal Electrodes and Electrolytes. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(3): 548-562

DOI:10.11902/1005.4537.2024.110