01【导读】
锌离子电池（ZIBs）由于其资源丰富、成本低廉、环境友好等特点，近年来逐渐得到发展。因此，ZIBs受到了研究人员的极大关注，被认为是下一代便携式储能系统。然而，锌离子电池整体性能不佳限制了它们的发展，这归因于锌枝晶和一系列副反应。构建 3D 锌负极已被证明是显着提高其电化学性能的有效方法。
02【成果掠影】
近日，华北理工大学何章兴教授和吉首大学吴贤文教授及厦门大学张桥保教授等发表了评述性论文，全面总结了锌负极在 ZIBs 中面临的挑战，包括锌枝晶、析氢和腐蚀以及钝化，并讨论了锌负极和 3D 锌负极的储能机制。随后，作者详细讨论了具有不同结构的 3D 锌负极，包括纤维状、多孔、脊状结构、不同基材上的镀锌负极和其他 3D 锌负极。最后，作者重点介绍了 3D 锌负极材料设计的新机遇和前景，并讨论了未来实际应用中需要解决的挑战，希望为 ZIBs 的发展指明方向。
相关综述文章以“A Review on 3D Zinc Anodes for Zinc Ion Batteries”为题发表在Small Methods上。
03【核心内容】
1.ZIBs因其经济性、安全性、环保性和固有特性而成为最有前途的储能装置。一路经历了从碱性电解液到中性/微酸性电解液的转变。尽管如此，低库仑效率和较差的可逆性限制了其在下一代电池中的应用。本文对 ZIBs 面临的枝晶生长、析氢腐蚀和钝化等挑战进行了全面总结。关于电池的储能机制，已经提出了几种机制，但所涉及的确切机制仍然难以捉摸。本文详细回顾了 3D 结构负极在锌电池中的应用。由于3D结构负极的一些特性，可以有效缓解传统锌负极存在的一些问题，从而提高电池的性能。经过研究人员不断探索，有纯锌3D结构和不同基底上镀锌的负极结构，以及其他方法获得的其他3D锌负极结构。但锌负极的长寿命、高性能一直是人们追求的目标。
2.作者提出以下建议和展望：
多角度共同提高锌负极的性能。目前，ZIBs负极面临的挑战并不是独立的。这些问题应该从整体和综合的角度来看待，也就是从“协同”的角度来看待。总之，枝晶生长会加速腐蚀、钝化和析氢等副反应。这些副反应会增加电极极化，进而促进枝晶生长。因此，电池的可逆性和寿命都会受到影响。基于此，3D负极的设计可以与其他策略相结合，例如使用抑制析氢的电解质，或引入锌合金以实现双效抑制，从而产生高性能的锌负极。
合理选择基底材料，稳定锌负极。对于基材的选择和开发，合理的基材应满足以下要求。基底应具有足够的稳定性以适应连续的锌剥离/电镀并保持其 3D 结构，因为结构崩溃会影响电池的循环寿命。此外，它应与锌有足够的亲和力，以帮助锌离子沉积。这是因为所有的 3D 锌负极都具有较大的比表面积，提供更多的位点，这就要求基底材料具有良好的亲锌性。不可忽视的是，孔隙和离子通道的大小也会影响锌离子的沉积动力学。较小的孔径有利于锌离子的均匀沉积。锌基底材料的合理开发也是构建3D锌负极的重要路径。
3D材料修饰方向以提高电池性能。对于作为基材的 3D 材料，可以通过与一种或多种物质复合来提高性能。某些原子或离子可以增强导电性。例如，掺杂某些原子或离子可以提高电导率。因为提高电导率可以提高电子运动速率，增强反应动力学，从而提高锌负极的电化学性能。此外，有机和无机配合物也是影响锌离子沉积的好方法。3D锌负极的优化需要进一步研究。
综合考虑构建3D锌负极结构。ZIB由于其成本低、安全性好有望成为LIB的替代品，因此3D锌负极的成本问题不容忽视。然而，工艺和基底材料可能会导致 3D 锌负极的成本更高。因此，寻找和开发最具成本效益的负极仍然是一项重大挑战。此外，高性能3D锌负极的制备工艺复杂，不利于实现产业化。因此，实现高效锌负极仍然是我们努力的方向。
04【数据概览】
图一、近年3D锌负极优秀作品年表© 2022 The Authors
图二、3D锌负极详细汇总图© 2022 The Authors
图三、3D锌负极的未来研究© 2022 The Authors
作者简介
何章兴，男，1985年生，湖南浏阳人，中共党员，博士，教授，硕士生导师，河北省“杰出青年”基金获得者。2013年于中南大学获应用化学专业博士学位，2014年就职于华北理工大学化学工程学院，现任应化系主任。2020年开始在唐山三友集团有限公司从事博士后研究工作。教学方面，主讲本科生《化工制图》、《电化学原理》、《物理化学》等课程，主讲研究生《电化学测试技术》、《现代电化学》等课程，教学质量多次获省内优秀和校内优秀。本科生培养方面，指导国家级、省级、校级大创项目15项；指导“挑战杯”竞赛荣获国家三等奖和省级一等奖；指导“互联网+”竞赛荣获两项省级三等奖；多次荣获优秀班主任、毕业论文、大创项目及挑战杯优秀指导教师等称号。研究生培养方面，直接和协助指导10余名博士和硕士研究生，多人获得国家奖学金、省级和校级优秀硕士毕业论文。科研方面，主要致力于能源与环境领域相关研究，具体包括全钒液流电池、水系锌离子电池、水系锂离子电池、废水处理等。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金杰出青年基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目、华北理工大学杰出青年基金等课题。以第一或通讯作者在Journal of Energy Chemistry、Journal of Materials Science and Technology、无机材料学报、ACS Nano、Chemical Engineering Journal、Carbon、Journal of Colloid and Interface Science、Electrochimica Acta等国内外SCI期刊发表学术论文70余篇，一区论文40余篇，曾入选ESI高被引论文13篇，热点论文1篇。担任Frontiers in Chemistry（二区期刊，IF=3.693）的客座编辑，主题为Low-Cost Electrochemical Energy Storage Devices: Zinc-/Sodium-Ion Batteries。荣获2020年度中国可再生能源学会科技进步奖二等奖。
张桥保教授，哲学博士，博士生导师，南强青年拔尖A类人才，嘉庚创新实验室荣誉研究员，国家优秀青年科学基金获得者。2016年获香港城市大学哲学博士学位；2015年在佐治亚理工学院刘美林教授课题组访学；2016 年至今在厦门大学工作。主要从事二次电池关键电极材料的设计优化及其储能过程中的构效关系解析的基础科学和应用研究。2014 年以来共发表SCI学术论文130 余篇，总引9000余次，ESI高引21篇，H 因子52。以第一或通讯作者 (含共同) 在Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci. Mater. Today, Coord. Chem. Rev., Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Angew Chem Int Ed. ,Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Sci. Bull., J. Energy Chem., Nano Res., 等重要学术期刊上发表论文90余篇。两篇论文入选2019度中国科学技术信息研究所发布的“中国百篇最具影响国际学术论文”。先后入选了全球前2%顶尖科学家榜单和全球顶尖10万科学家榜单。主持国家自然科学优青/面上/青年基金和福建省产学研引导性项目等多项科研项目，参与国家自然科学基金委面上和重点项目各一项以及科技部国家重点研发计划两项。受邀在国际前沿材料大会（2021），全国电化学大会 (2017和2019年) 、中国材料大会(2018, 2019年和2021年)、中国化学会(国际)能源材料化学研讨会 (2018和2019年)等会议上做邀请报告40余次。担任中国颗粒学会青年理事， Chin.Chem.Lett.副主编, Rare Metals 学术编辑， J. Energy Chem 和储能科学与技术杂志编委， InfoMat， Nano Research，SmartMat, 物理化学学报等杂志青年编委及客座编辑。曾获2020中国新锐科技人物卓越影响奖，J. Mater. Chem. A.期刊新锐研究者奖, 厦门大学教学成果校级特等奖和厦门大学德贞社会课堂基金优秀指导教师奖等奖项等奖项。主编书籍【电池材料—合成、表征与应用 (化学工业出版社)】 一本。
吴贤文，男，1983年生，土家族，湖南张家界人，中共党员，中南大学工学博士，吉首大学大学教授、硕士生导师。入选“湖湘青年英才”支持计划和湖南省青年骨干教师，吉首大学第四届“青年科技之星”；系湖南省化学化工学会催化与绿色化学专业委员会委员、湖南省“三区”科技人才、湘西州科技特派员、锰锌钒产业技术湖南省2011计划协同创新中心副主任、国家自然科学基金及湖南省自然科学基金通讯评审专家、Frontiers in Chemistry客座副主编。J.Mater. Chem. A、J. Power Sources、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊特约审稿人。2013-2014年留学加拿大，聘为滑铁卢大学博士后研究员。
文献链接：
Guo, N., Huo, W., Dong, X., Sun, Z., Lu, Y., Wu, X., Dai, L., Wang, L., Lin, H., Liu, H., Liang, H., He, Z., Zhang, Q., A Review on 3D Zinc Anodes for Zinc Ion Batteries. Small Methods 2022, 2200597. https://doi.org/10.1002/smtd.202200597.