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【科技】南京大学周豪慎、上海交通大学杨慧军、北海道大学朱瑞杰Angew:低负极用量/长循环水系锌电池集流体设计原则

2026-04-16 03:23:38

锌（Zn）基水系电化学体系具有低成本、高安全性和简易性的优势，但由于枝晶状Zn生长导致其可充电性较差。枝晶形成和Zn电极利用率低的根本原因被确定为竞争性析氢反应（HER）及其伴随的绝缘副产物的共沉积，后者会恶化Zn电沉积的成核与生长过程。

2026年04月08日，南京大学周豪慎、上海交通大学杨慧军、北海道大学朱瑞杰团队合作通过三电极体系系统解耦析氢反应与锌还原反应的电化学过程，明确析氢反应及其伴生的碱式硫酸锌水合物绝缘副产物共沉积是锌枝晶形成与负极利用率低下的核心原因，探究了铜、钛、316 不锈钢等基底材料对析氢与锌还原的热力学、动力学影响规律，据此设计出石墨包覆铜多功能集流体，该集流体可显著抑制析氢反应并保持优良的锌沉积亲和性，实现锌沉积 / 剥离可逆性提升至 99.95%，在 1 倍过量锌设计下，让水系锌 // 活性炭超级电容器实现超 40 万次循环，也使低正负极容量比的高面容量锌 - 二氧化锰电池稳定运行 250 周，为低锌用量长循环水系锌电池提供了可行的集流体设计方案。

工作要点

本研究系统解耦了HER和Zn还原的电化学行为。基于对HER的独立分析，揭示了HER及其共生长的绝缘副产物是Zn枝晶形成的有害因素。这些见解促成了多功能石墨包覆Cu集流体的开发，该集流体巧妙地调控了界面对于HER和Zn还原的亲和性，从而逆转了HER和Zn还原的起始电位。因此，即使在通常与严重HER相关的1.0 mA cm⁻²低电流密度下，Zn金属镀层/剥离可逆性在100天内也显著提高至99.79%。具体而言，Zn//AC超级电容器和Zn-MnO₂电池的寿命分别延长至400000次循环和250次循环（在低N/P比下）。

图1| HER与Zn还原的解耦电化学过程。(a) 用于电化学研究的三电极系统示意图。(b) 线性扫描伏安法(LSV)曲线包含了在2 M ZnSO₄电解液中同时存在的两个阴极反应(H₂/H⁺，Zn/Zn²⁺)。(c) HER与Zn/Zn²⁺氧化还原反应之间电势差的示意图，显示了热力学吉布斯能垒以及钝化层的形成。(d) 抑制HER动力学同时引导均匀Zn沉积的基底设计原则

图2| Zn还原之前的H₂析出。(a) 在2 M ZnSO₄电解液中，在-0.99 V vs Ag/AgCl参比电极下的计时电流曲线。(b) Cu基底上吸附气体的光学照片。(c) Cu基底上ZSH生长的AFM图像。(e) 表面组分的SEM和元素分布图。(d) 计时电流测量后Cu基底的XRD图谱。(f) 计时电流测量后石墨电极表面组分的Zn 2p XPS光谱。(g) 通过刻蚀技术从XPS光谱中获得的片状结构中原子百分比(O、Zn和S元素)。(h) 随刻蚀时间变化的[O]/[Zn]原子比。插表列出了常见分解物种的[O]/[Zn]原子比，用于比较片状结构的组分分布