香港大学支春义团队Nexus：严格工况下水系锌离子电池锌负极失效机制与稳定化策略 | Cell Press论文速递

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2026-03-02 17:02发布于北京CellPress细胞科学官方账号

问AI · 锌负极失效机制如何相互耦合加速退化？

交叉学科

Interdisciplinary

香港大学支春义教授团队在Cell Press细胞出版旗下交叉学科期刊Nexus上发表题为 “Challenges of Zn Anode under Stringent Conditions and Improvement Strategies”的综述论文。该工作系统聚焦水系锌离子电池在高电流密度和高面容量等实际工况下锌金属负极可逆性不足的问题，深入分析了枝晶生长、析氢反应、腐蚀及形貌演化等关键失效机制及其耦合关系。在此基础上，论文从电解液工程、界面调控、电极结构设计和电池层级优化四个方面，总结了近年来提升锌负极稳定性的主要策略，并讨论了不同方法在工程可行性和规模化应用中的优势与局限。该研究从机理理解与工程实践相结合的角度，为构建高安全、长寿命的水系锌离子电池提供了系统性参考，对推动其在大规模储能领域的应用具有重要意义。

研究背景

在全球能源结构转型和可再生能源快速发展的背景下，大规模、安全、低成本的储能技术需求日益迫切。当前商业化程度最高的锂离子电池在能量密度方面具有优势，但其依赖有机电解液，存在安全隐患，同时锂、钴等关键资源分布不均、成本较高，限制了其在大规模储能和电网调节中的长期可持续应用。因此，探索安全性更高、资源更丰富的新型储能体系，成为储能领域的重要研究方向。

水系锌离子电池因采用不可燃的水系电解液，具备本征安全性，同时锌金属储量丰富、成本低廉、理论容量高，被认为是面向固定式储能和大规模应用的理想候选技术之一。然而，在实际运行条件下，锌金属负极的可逆性问题严重制约了水系锌离子电池的性能提升和寿命延长。

在充放电过程中，锌负极易发生非均匀沉积，逐渐形成枝晶结构，带来短路风险。同时，水系环境中不可避免的析氢反应会消耗电解液中的水分并引起界面局部碱化，促进腐蚀和钝化产物生成。此外，反复的沉积与剥离还会导致锌负极形貌持续演化，产生与集流体失去电接触的“死锌”，造成容量不可逆损失。这些失效过程在高电流密度和高面容量等实际工况下尤为显著，并往往相互耦合，形成加速退化的正反馈机制。

尽管近年来围绕电解液调控、界面工程和电极结构设计等方面取得了大量研究进展，但不同研究之间测试条件差异较大，对失效机理的认识仍较为分散，缺乏系统性梳理和工程化视角的综合分析。因此，有必要从严格工况出发，对锌负极的失效行为及其改进策略进行系统总结，为水系锌离子电池的实际应用提供清晰的设计思路和理论依据。

核心内容

1. 锌负极失效机制分析

如图1所示，锌金属负极在水系电解液中反复沉积/剥离过程中，会经历一系列典型失效行为。由于表面电流分布不均和Zn²⁺传输受限，锌更容易在局部区域优先生长，逐渐形成枝晶结构。枝晶的出现不仅会放大局部电场，还会加剧副反应的发生。同时，析氢反应和腐蚀过程会导致界面产物累积，使部分锌逐渐与集流体失去电接触，形成“死锌”，造成容量不可逆损失。图中系统概括了枝晶生长、析氢反应、腐蚀与形貌演化之间的内在关联，揭示了锌负极可逆性不足的根本原因。

图1 锌负极失效机制分析

2. 严格工况下锌负极失效的放大反应

图2展示了在高电流密度和高面容量等严格工况下，锌负极失效行为的加速过程。在高倍率运行条件下，Zn²⁺浓度梯度和电场不均性显著增强，锌沉积更加集中于局部区域，从而加速枝晶生长。同时，界面副反应产生的气体和腐蚀产物会进一步恶化沉积环境。该图强调，在实际工况中，枝晶生长、析氢反应和腐蚀并非独立发生，而是相互耦合、形成正反馈回路，从而显著缩短电池寿命。

图2 严格工况下锌负极失效的放大效应

3. 改善锌负极可逆性的策略

如图3所示，文章从整体角度对锌负极稳定化策略进行了系统分类，主要包括电解液工程、界面调控、电极结构设计以及其他电池层级策略。该图起到“路线图”的作用，将后续各章节的研究内容统一到同一框架中。文中指出，不同策略往往从不同层面作用于锌沉积过程，在实际应用中需要协同优化，而非单一策略独立发挥作用。

图3 改善锌负极可逆性的策略

4. 高浓度与局域高浓度电解液策略

图4对高浓度电解液及其衍生体系进行了总结。高浓度电解液通过降低自由水含量、重构Zn²⁺溶剂化结构，有效抑制析氢反应和腐蚀过程，从而改善锌负极沉积行为。然而，高盐浓度也会带来黏度升高和离子电导降低的问题。为解决这一矛盾，文中进一步介绍了局域高浓度电解液的设计思路，在保持界面溶剂化结构优势的同时，提高整体传输性能。

图4 高浓度与局域高浓度电解液策略

5. 电解液添加剂与pH调控策略

如图5所示，电解液添加剂和pH调控是改善锌负极界面环境的有效手段。特定添加剂可以通过吸附或调控界面电场，诱导锌均匀成核并抑制枝晶生长。同时，通过调节电解液pH或引入缓冲体系，可降低析氢反应活性，减少碱式锌盐和钝化层生成。图中展示了不同调控方式对界面稳定性的影响，说明合理的化学环境设计对于提升锌负极可逆性具有重要作用。

图5 电解液添加剂与pH调控策略

6. 表面涂层与人工界面层调控

图6总结了通过表面涂层和人工界面层提升锌负极稳定性的研究进展。外加涂层可作为物理屏障，隔绝水分和腐蚀性物质，并调控局部Zn²⁺通量；人工界面层则通过原位形成的方式，在锌表面构建离子可传导、电子绝缘的稳定界面。文中指出，界面层的厚度和离子导电性对沉积行为具有关键影响，需要在界面稳定性和传输阻力之间取得平衡

图6 表面涂层与人工界面层调控

7. 表面织构与掺杂调控策略

如图7所示，除涂层外，还可通过表面织构和掺杂方式直接调控锌金属本体性质。通过改变锌表面的晶面取向、成核位点分布或电子结构，可在不引入额外界面层的情况下，实现更加均匀的锌沉积。图中相关研究表明，该类策略在较高面容量条件下仍能维持较好的沉积稳定性，为锌负极设计提供了新的思路。

图7 表面织构与掺杂调控策略

8. 结构设计与电池层级优化策略

图8从更接近工程应用的角度，总结了三维结构电极和电池层级优化策略。三维多孔结构有助于分散局部电流密度、缓解体积变化，从而抑制枝晶生长，但同时可能降低体积能量密度。此外，通过隔膜功能化、施加适度机械压力以及优化循环协议，也可在电池层级改善锌负极的沉积行为。该图强调，只有将材料设计与电池工程参数协同考虑，才能在实际工况下实现稳定可靠的性能提升。

图8 结构设计与电池层级优化策略

前景展望

尽管近年来在锌负极稳定化方面取得了显著进展，但要推动水系锌离子电池的实际应用，仍面临多方面挑战。首先，当前不同研究工作在测试条件、评价指标和实验设计上存在较大差异，容易导致性能对比失真。未来有必要建立更加统一和规范的测试体系，明确电解液用量、N/P比、面容量和截止电压等关键参数，以提升研究结果的可比性和工程参考价值。

其次，锌负极失效行为具有明显的多机制耦合特征，单一调控策略往往难以在严格工况下长期奏效。后续研究需要更加注重电解液、界面和结构设计之间的协同优化，并结合电池层级参数进行整体考量。此外，高浓度电解液、复杂结构电极等方案在成本和可制造性方面仍需进一步权衡，其规模化潜力有待系统评估。

最后，先进原位表征技术和数据驱动方法的发展，将为深入理解锌沉积过程和界面演化提供新的工具。通过机理认知与工程实践相结合，有望加速水系锌离子电池从实验室研究走向大规模储能应用。

论文总结

本文系统综述了水系锌离子电池中锌金属负极在实际运行条件下面临的关键失效机制，重点分析了枝晶生长、析氢反应、腐蚀及形貌演化等过程在高电流密度和高面容量工况下的放大效应及其耦合关系。在此基础上，文章从电解液工程、界面调控、电极结构设计和电池层级优化等方面，总结了近年来提升锌负极可逆性和循环稳定性的主要研究进展。通过对不同策略优势与局限性的系统比较，本文进一步强调了协同设计与工程可行性的重要性。该工作为构建高安全、长寿命的水系锌离子电池提供了清晰的机理认知和设计参考，有助于推动其在大规模储能领域的应用。