化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (1): 29-41.DOI: 10.6023/A22100413 上一篇    下一篇

综述

水系锌离子电池负极集流体关键问题及设计策略

姬慧敏a, 谢春霖a, 张旗a, 李熠鑫a, 李欢欢b, 王海燕a,*()   

  1. a 中南大学 化学化工学院 长沙 410083
    b 河南师范大学 化学化工学院 新乡 453007
  • 投稿日期:2022-10-08 发布日期:2022-12-01
  • 作者简介:

    姬慧敏, 中南大学化学化工学院在读博士生, 师从王海燕教授. 2021年本科毕业于中南大学, 同年直接攻读博士学位. 主要从事金属能源研究.

    谢春霖, 中南大学化学化工学院在读博士生, 师从王海燕教授. 2019年本科毕业于湖南科技大学, 2022年硕士毕业于中南大学. 目前主要研究方向为金属能源界面化学调控, 以第一作者身份在Adv. Energy Mater., Carbon Energy, Chin. Chem. Lett., Research等期刊上发表多篇论文.

    张旗, 博士, 硕士生导师, 研究方向为金属负极界面电化学, 目前以通讯作者或第一作者身份在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.等国际著名刊物上发表多篇论文, 获得中国化学会菁青化学星火奖、京博科技奖-化学化工与材料京博优秀博士论文奖优秀奖, 承担国家自然科学基金青年基金项目、湖南省自然科学基金青年基金项目、中南大学科研启动基金.

    李熠鑫, 中南大学讲师, 本科就读于南开大学化学学院化学专业, 随后被保送至南开大学化学学院直接攻读南开大学无机化学专业博士, 师从无机化学家陈军院士. 研究方向主要是水系二次电池和金属燃料电池, 目前发表SCI论文10余篇, 其中以第一作者和通讯作者在国际顶尖期刊J. Am. Chem. Soc., Chem, Adv. Funct. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem. A上发文5篇, 承担湖南省自然科学基金青年项目, 南开大学教育部重点实验室开放基金和中南大学科研启动基金.

    李欢欢, 河南师范大学化学化工学院副教授. 博士毕业于东北师范大学高分子化学与物理专业, 师从张景萍教授; 2017年7月入职河南师范大学, 研究方向为能源材料与能源化学. 至今共发表SCI论文52篇(H指数23), 其中以第一作 者/通讯作者在Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Commun.等期刊发表论文20余篇.

    王海燕, 中南大学化学化工学院教授, 博士生导师, 青年长江学者, 国际先进材料协会会士, 香江学者, 湖南省科技创新领军人才, 湖南省杰出青年基金获得者. 曾获国家公派留学University of St. Andrews, 曾于香港科技大学从事研究工作. 近年来一直从事新能源材料、电池器件及资源绿色循环研究, 目前以通讯作者在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed等国际知名期刊发表论文150余篇, SCI他引8000余次, H指数55. 获授权国家发明专利14项. 获湖南省自然科学二等奖, 重庆市科技进步一等奖等.

  • 基金资助:
    湖南省科技计划项目(2022RC3050); 湖南省科技计划项目(2017TP1001); 湖南省研究生科研创新项目(CX20220159); 中南大学中央高校基本科研业务费专项资金(2022ZZTS0071); 河南师范大学化学化工学院开放科研基金资助

Anode Current Collector for Aqueous Zinc-ion Batteries: Issues and Design Strategies

Huimin Jia, Chunlin Xiea, Qi Zhanga, Yixin Lia, Huanhuan Lib, Haiyan Wanga()   

  1. a College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
    b School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China
  • Received:2022-10-08 Published:2022-12-01
  • Contact: *E-mail: wanghy419@csu.edu.cn
  • Supported by:
    Science and technology innovation Program of Hunan Province(2022RC3050); Science and technology innovation Program of Hunan Province(2017TP1001); Hunan Provincial Innovation Foundation For Postgraduate(CX20220159); Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University(2022ZZTS0071); Open Research Fund of School of Chemistry and Chemical Engineering, Henan Normal University

水系锌离子电池具有成本低廉、环境友好、安全、能量密度较高等特点, 有望应用于大规模电化学储能装置. 然而, 目前使用的商业化锌箔负极相对正极活性材料大大过量, 显著降低了电池的能量密度, 且存在严重的穿孔和极耳脱落等问题. 使用集流体负载锌作为负极可有效提高放电深度, 同时避免电极穿孔失效. 但是, 集流体界面易产生锌枝晶与副反应, 严重影响电池的循环寿命. 本综述首先分析了锌枝晶与副反应的产生原因及其对锌负极电化学性能的影响, 并从集流体材料成分选择与结构构建两方面总结了锌负极集流体的设计思路, 包括选择亲锌性材料、设计择优取向基底与构建三维集流体结构. 设计合适的集流体可有效调控锌金属的沉积与剥离行为, 从而推进水系锌离子电池的实用化.

关键词: 锌负极, 集流体, 锌枝晶, 亲锌性, 择优取向, 三维结构

Aqueous zinc ion batteries possess the characteristics of cost-effectiveness, environmental benignancy, intrinsic safety, and relatively high energy density, and are promising to be used in large-scale electrochemical energy storage devices. However, the current commercial zinc foil anode is considerably excessive compared with cathode active materials, which significantly decreases the energy density of the battery. And there are serious problems of anode perforation, tab falling off and so on. Loading zinc on current collector as anode is effective to improve depth of discharge and avoid the electrode perforation. Nevertheless, the zinc dendrites and side reactions are prone to generate at the current collector interface, and they seriously affect the cycle life of the battery. In this review, the causes of zinc dendrites and side reactions and their influence on the electrochemical performance of zinc anode are analyzed, and the design ideas of the zinc anode current collectors are summarized from two aspects of composition selection and structure construction, including the selection of zincophilic materials, the design of preferred-orientation substrates and the construction of three-dimensional current collector structures. Designing an appropriate current collector can effectively regulate the plating and stripping behavior of zinc metal and promote the practical application of aqueous zinc ion batteries.

Key words: zinc anode, current collector, zinc dendrite, zincophilicity, preferred-orientation, three-dimensional structure