论文标题：Recent advances in stabilization strategies for zinc anodes in aqueous zinc-ion batteries

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yitong Han, Nuo Xu, Yuelong Yin, Ziqing Ruan, Yujie Shen, Shu Fang, Leixin Yang

发表时间：11 Jul 2025

DOI：10.1007/s11708-025-0999-z

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文章简介

随着全球能源需求的增长及“双碳”目标的推进，低成本、高安全性的储能技术成为研究热点。水性锌离子电池（AZIBs）因锌资源丰富、理论容量高、氧化还原电位低及电解液不可燃等特性，被视为下一代储能系统的重要候选。然而，锌阳极的不稳定性严重制约着其商业化进程，具体表现为枝晶生长、界面副反应及析氢腐蚀。本文系统总结了锌阳极稳定策略的最新进展，涵盖人工固体电解质界面（SEI）层、电解液改性、仿生设计及结构优化四大方向，为解决AZIBs的核心瓶颈提供了全面参考。

主要内容

锌阳极在水性电解质中面临的主要挑战可归纳为锌枝晶生长、自腐蚀和析氢反应。锌枝晶的形成源于锌离子（Zn²⁺）在阳极表面分布不均，导致局部离子浓度梯度增大，并在电场作用下优先沉积于高曲率区域，形成树枝状结构。这些枝晶可能刺穿隔膜，引发电池短路。扫描电子显微镜研究显示，锌枝晶在不同尺度下呈现层状、棒状和羽状分支等形态，其生长受离子浓度梯度、电场分布和机械应力场动态耦合的影响。此外，锌阳极在弱酸性电解质中易发生自腐蚀反应，消耗活性物质并生成氢氧化锌、碱式硫酸锌等腐蚀产物，这些产物覆盖阳极表面，导致钝化并增加界面阻抗。析氢反应则主要发生在高倍率充放电过程中，产生的氢气气泡阻碍锌均匀沉积，并加速多孔副产物的积累。

图1 锌枝晶形成机理及人工界面层调控策略

图2 锌枝晶的微观结构及截面特征

为应对上述问题，研究人员提出了多种锌阳极保护策略。人工SEI层构建是一种常见方法，通过在锌阳极表面形成物理屏障，隔离电解质与阳极的直接接触，从而抑制副反应。人工SEI层可分为无机、有机和有机-无机复合类型。例如，无机SEI膜——锌铁氰化物（ZnHCF），通过“蚀刻-成核-生长”机制在锌表面形成，厚度仅为1微米，不仅能阻断水分子渗透，还通过其离子通道和亲锌基团促进Zn²⁺均匀沉积。有机SEI层如聚酰胺（PA）和聚乙烯醇缩丁醛（PVB），则通过丰富的官能团调控Zn²⁺扩散动力学，并利用其柔韧性适应阳极体积变化。复合SEI层如PVA@SR-ZnMoO₄，结合了有机组分的柔性和无机组分的稳定性，能够有效抑制枝晶生长和副反应。理想的人工SEI层需具备化学稳定性、完整覆盖性、选择性离子导率、强附着力和机械柔韧性。

图3 HB-ZnHCF的作用机理示意图

电解质改性通过引入添加剂或调整溶剂组成，在分子水平上重构Zn²⁺的溶剂化结构，抑制副反应热力学驱动力。电解质添加剂可分为氢键型、静电型和反应型。氢键型添加剂如Tween-80，通过其羟基和醚基替代水分子在Zn²⁺溶剂化鞘中的位置，重构氢键网络，减少活性水参与析氢反应。静电型添加剂如钠离子（Na⁺），在锌阳极表面形成正静电屏蔽层，利用静电排斥效应抑制枝晶生长。反应型添加剂则通过与Zn²⁺反应生成不溶性产物，覆盖阳极表面形成稳定SEI层。此外，电解质系统设计包括氢基电解质、高浓度电解质和pH缓冲电解质。高浓度电解质形成“盐包水”结构，减少自由水含量，抑制析氢和腐蚀；pH缓冲电解质如吡啶，通过质子捕获机制维持电解质pH稳定，提高析氢过电位。

图4 常见电解液添加剂

仿生策略受自然界生物结构的启发，致力于开发具有动态适应性的界面层。如海藻中提取的海藻酸钠（SA）通过其羧基和羟基与Zn²⁺螯合，形成“蛋盒”状水凝胶结构，促进Zn(002)晶面优先沉积，实现均匀致密的沉积层。仿生SEI层如聚多巴胺网络，模拟贻贝粘附蛋白的氢键机制，增强界面稳定性并抑制枝晶生长。这些策略不仅提升了电池的循环稳定性，还兼顾了环境友好性。

图5 多角度展示的仿生结构

结构优化策略通过设计三维（3D）多孔框架、梯度孔结构和复合阳极，增大比表面积，降低局部电流密度，促进均匀电场分布和Zn²⁺成核。3D多孔结构如3D-RFGC@Zn，在高电流密度下可实现3000次循环，库仑效率（CE）达99.67%。孔工程通过物理限域域引导Zn²⁺均匀沉积，例如铜网电极与强配位阴离子电解质耦合时，CE从85%提升至92%。复合阳极则通过表面化学调控形成亲锌位点，提高成核密度。结构优化需与SEI层工程和电解质改性协同，以克服高放电深度下的界面失效问题。例如，3D-RFGC@Zn与FA-DX混合电解质结合，通过径向碳通道的物理限域和羰基与Zn²⁺的配位，降低脱溶剂能垒20%，并在-35 ℃下实现3000小时稳定循环。

图6 锌阳极稳定策略在商业应用中的可行性比较——基于可扩展性、成本效益、合成可行性及制造可行性

结论

综上所述，锌阳极稳定化策略在抑制枝晶生长、减少副反应和提升循环稳定性方面取得了显著进展。人工SEI层、电解质改性、仿生策略和结构优化各具优势，并在不同应用场景中展现出互补性。人工SEI层通过构建物理屏障和调控离子传输路径实现均匀沉积；电解质改性在分子水平上优化溶剂化结构；仿生策略模仿生物界面动态适应性；结构优化则通过空间设计降低局部电流密度。然而，锌阳极在高放电深度下的界面失效、枝晶不可控生长以及副反应动力学等问题仍是当前研究的难点。未来研究应致力于构建“人工SEI-电解质-电极”一体化系统，结合机器学习驱动的材料设计、生物基界面的可持续优势以及流动电解质的动态调控，突破高性能AZIBs的技术瓶颈。

原文信息

Recent advances in stabilization strategies for zinc anodes in aqueous zinc-ion batteries

Yitong Han¹, Nuo Xu¹, Yuelong Yin², Ziqing Ruan¹, Yujie Shen¹, Shu Fang³, Leixin Yang^1,2

Author information:

1. State Key Laboratory of Bio-based Fiber Materials, Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper, China Textile Industry Key Laboratory of High-performance Fibers Wet-laid Nonwoven Materials, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China

2. Wanli Energy Technology Development Co., Ltd., Institute of Carbon Neutrality, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China

3. Art and Design College, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China

Abstract:

Rechargeable aqueous metal-ion batteries are promising alternative energy storage devices in the post-lithium-ion era due to their inherent safety and environmental compatibility. Among them, aqueous zinc ion batteries (AZIBs) stand out as next-generation energy storage systems, offering low cost, high safety, and eco-friendliness. Nevertheless, the instability of Zn metal anodes, manifested as Zn dendrite growth, interfacial side reactions, and hydrogen (H2) evolution, remains a major obstacle to commercialization. To address these challenges, extensive research has been conducted to understand and mitigate these issues. This review comprehensively summarizes recent advances in Zn anode stabilization strategies, including artificial solid electrolyte interphase (SEI) layers, structural optimization, electrolyte modification, and bioinspired designs. These approaches collectively aim to achieve uniform Zn deposition, suppress parasitic reactions, and enhance cycling stability. Furthermore, it critically evaluates the advantages and feasibility of different strategies, discuss potential synergistic effects of multi-strategy integration, and provide perspectives for future research directions.

Keywords:

aqueous zinc-ion batteries (AZIBs); Zn anode; stability; artificial solid electrolyte interphase (SEI) layers; electrolyte modification; bioinspired

Cite this article:

Yitong Han, Nuo Xu, Yuelong Yin, Ziqing Ruan, Yujie Shen, Shu Fang, Leixin Yang. Recent advances in stabilization strategies for zinc anodes in aqueous zinc-ion batteries. Front. Energy DOI:10.1007/s11708-025-0999-z

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通讯作者简介

杨磊鑫，天津科技大学轻工学院及生物基纤维材料全国重点实验室，副教授。全国高校黄大年式教师团队成员，入选广东省青年优秀人才国际培养计划。研究方向：生物质基材料设计及其在气体分离膜和电池隔膜电解质应用等。先后主持国家自然科学基金、广东省面上项目等纵横向项目等10余项，参与国家自然科学基金重点项目等。在《Energy & Environmental Science》《Chemical Society Reviews》《Advanced Functional Materials》《Journal of Membrane Science》等学术期刊发表研究性论文50余篇，SCI 引用3500余次，H因子33；申请/获授权发明专利14项。

方纾，天津科技大学艺术设计学院讲师。主要研究方向：智能可穿戴服装服饰设计、柔性电子元件制备、服装热湿舒适性研究等。参与科技部国家重点研发计划、国家自然基金项目、国家艺术基金项目等5项，发表SCI论文10余篇，发明专利3项。

申钰洁，天津科技大学。主要研究方向：水系锌离子电池负极保护层设计。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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