鋅金屬負極自伏打電堆問世以來，因其價廉、儲量大、容量高等優點在電池發展的長河中始終備受關注。而目前商用的鋅基電池大多作為一次堿性電池為小型電子產品供電，因而發展可充電式的堿性鋅基電池，無論是促進當前商用電池的迭代（如鎳鋅，鋅錳電池等）還是推進新型高能量密度鋅基電池（如鋅空電池等）都具有顯著的實際意義。

對于堿性鋅基電池，負極可逆循環的失效主要源自充放電過程中Zn與ZnO之間的相轉變所導致的鈍化、形狀變化、枝晶等，金屬Zn和ZnO在電導率、反應活性和微結構方面的差異破壞了電化學反應的均勻性和電極結構的穩定性。早期一些成果及本課題組之前的研究表明，構建連續的三維鋅金屬導電網絡可以有效的實現Zn與ZnO之間的穩定相轉變。

【工作介紹】

近日，香港科技大學陳擎課題組等人利用電化學還原直接將ZnO粉末通過界面自組裝，轉化為雙連續結構的多孔鋅單體。該方法可根據需求設計不同的面容量，同時多孔鋅單體由納米Zn金屬纖維及相同尺度的孔道組成，該結構在穩定相轉變的同時，有效保留電子及離子導通網絡，在堿性電池貧液及高DoD的循環條件下顯著提升了循環穩定性。該文章發表在國際一流期刊Nature Communications上。李良昱為本文第一作者。

【內容表述】

不同應用場景對于電池的需求是多樣化的，很難由單一的技術來滿足。鋅基電池作為其中一支，正借助其高安全性、低成本，在相關應用場景下快速發展。如何保證鋅金屬電極在長循環，高利用率下的結構穩定性是實現高能量密度堿性二次鋅電池的核心問題。本工作通過理解和設計利用還原過程中鋅金屬原子在固液界面處的自組裝形成雙連續的納米多孔結構，提高了其在實際條件下的循環穩定性及利用率，為解決鋅基電池中的技術難題提供了新的研究思路。

圖1 納米多孔鋅電極的設計原理。

本工作利用電化學還原，直接將壓實在泡沫銅集流體上的ZnO粉末通過類似于滲流溶解（percolation dissolution）的機理，形成具有雙連續結構的納米多孔鋅電極。該電極在堿性電池循環中可維持Zn核 / ZnO殼的結構，與傳統ZnO和Zn粉末電極不均勻的結構變化大相徑庭。

圖2 納米多孔鋅電極的形貌表征。

相關的形貌表征表明，合成的納米多孔鋅電極是由百納米級別的Zn金屬纖維相互交織形成的三維導電網絡結構，且厚度方向上孔徑基本一致，結構均一，具有典型的雙連續結構。

圖3 納米多孔鋅及鋅粉電極的原位光學研究。

通過原位光學顯微鏡從宏觀上觀察了充放電過程中Zn金屬負極整體的結構演化。不同充放電階段下的結果表明，得益于納米多孔鋅負極的雙連續結構，電極表面的宏觀形貌沒有發生明顯的變化，SEM證實在首次充放電循環后，電極保留了初始的三維連續多孔結構。而相比之下，傳統的Zn粉負極的電化學活性較低，且在首次充放電過程中表面形貌出現了明顯的變化，并伴隨著嚴重的副反應。

圖4 納米多空鋅及鋅粉電極的原位電化學研究及圖像模擬。

放電過程中的原位電化學阻抗譜表明，相比于Zn粉電極，納米多孔鋅電極即使在深度放電的情況下，極化改變依然很小。而圖像模擬結果也證實了納米多孔鋅電極特有的雙連續結構可以在深度放電的情況下，依然保留大量的連續導電網絡。

圖5 基于不同鋅金屬電極的鎳鋅電池性能測試。

基于以上分析，本工作通過組裝扣式鎳鋅電池，評估不同Zn金屬負極在貧液、高DoD條件下的循環穩定性。結果表明，基于納米多孔鋅電極的鎳鋅電池，在擁有高面容量的同時，其活性物質利用率大幅提升，循環穩定性在40%DoD不僅有了明顯的提升，甚至可以在60%DoD條件下實現較長的循環穩定性。

圖6 基于不同鋅金屬電極的鋅空電池性能測試。

同樣的，在基于扣式電池貧液條件下鋅空電池測試也證明了納米多孔鋅電極的結構優越性，功率密度和循環穩定性都得到了大幅度的提升。

審核編輯 ：李倩