水系锌离子电池凭借安全可靠、经济环保等优势在大规模固定式电化学储能领域中表现出广阔的应用前景。然而，锌金属负极在水系电解液中的枝晶生长与腐蚀、析氢等副反应导致电池体系遭受库伦效率低、循环寿命短等一系列问题，严重阻碍锌离子电池的实用化进程。基于此，天津大学罗加严教授和胡正林博士等人在Green Energy & Environment期刊发表了题为“An in-depth understanding of improvement strategies and corresponding characterizations towards Zn anode in aqueous Zn-ions batteries”的综述。该工作从界面设计、基底设计及主体设计三方面系统总结了锌金属负极的改善策略，并从动力学与热力学角度综述了锌负极表征方法。最后，本文还提出了锌金属负极在现阶段的潜在问题与发展前景。

图1. 锌金属负极改善策略及表征方法。

界面设计

锌负极/电解液界面是固体电解质界面（Solid Electrolyte Interphase，简称SEI层）原位形成、Zn²⁺沉积溶解、活性Zn腐蚀等一系列反应发生的基本场所，对锌负极的热力学稳定性和动力学性能有着深远的影响。因此，锌负极的界面设计已成为广泛研究并行之有效的改善策略。根据构筑方法及作用机理的不同，本文将修饰后的锌负极界面分为原位诱导的SEI层、人工SEI层和功能界面。锌负极的原位SEI层主要为锌基化合物，其产生自电解液组分的电化学还原分解或锌金属与电解液添加剂的自发化学反应。人工SEI层与原位诱导的SEI层相似，均具有结构致密、离子可导、电子绝缘、亲水但对水稳定、机械强度良好等特性；但人工SEI层需要一定的预处理工艺来构建于锌负极表面，这种在电池外的复合工艺也使得人工SEI层的选择性比原位SEI层更加多样。功能界面与原位诱导的SEI层及人工SEI层在作用机理上表现出明显差异，其可赋予锌负极特定的功能性，如丰富的Zn²⁺扩散通道、充足的Zn²⁺吸附位点、均匀的电场分布、快速的电极动力学、分子/离子选择性透过等。

基底设计

在大多数情况下，平面锌箔在中性或弱酸性电解液环境中既充当集流体又做负极的活性材料，这也使得其电化学性能在循环过程中不稳定，并伴有剧烈的体积变化。设计适宜的锌负极基底来缓解体积变化、调控沉积行为对实现稳定可逆的锌沉积溶解是十分有益的。锌负极的基底设计主要分为3D基底与功能基底。3D基底具有高比表面积及连通结构，主要包括多孔金属骨架和碳骨架等。与3D基底不同，经修饰后的功能基底可表现出独特的功能，如促使外延电沉积、提供丰富的异质种子或亲锌位点等。

主体设计

由于严重的枝晶生长和不可逆的副反应，常规的锌金属负极难以与高性能水系锌离子电池相兼容。除了界面和基底设计，锌负极的主体设计在解决锌金属负极所面临的难题上也取得了一定的成果，如织构化锌负极、合金化锌负极以及复合锌粉负极等。

热力学性能表征

锌金属负极的热力学性能常表现为其在水系电解液中的稳定性。本文总结了锌金属负极在水系电解液中的热力学稳定性表征方法，如线性极化曲线、微分电化学质谱、库伦效率、电池自放电、界面副产物分析及阻抗演变等。

动力学性能表征

锌金属负极的动力学性能与离子传输、离子沉积与电池储能机制等电化学行为有关。本文从离子沉积动力学、全电池动力学、界面动力学三方面系统讨论了锌金属负极动力学性能的表征方法。常见地，成核过电位、去溶剂化活化能、3D离子扩散可用来评估离子沉积动力学；锌离子扩散系数与交换电流可用来评估全电池动力学；界面电子电导率、离子电导率、离子迁移数、离子扩散能垒、结合能、界面能、界面电场及浓度场分布等常用来分析锌金属负极的界面动力学。

未来展望

水系锌离子电池结合了锌金属负极与近中性水系电解液的优势，表现出高安全、低成本、环境友好等特性，在注重安全与成本问题的大规模固定电化学储能系统中具有广阔的应用前景。针对常规锌金属负极在水系电解液中的枝晶生长与腐蚀、析氢等副反应问题，研究者从界面、基底、主体等多角度提出了锌负极的改进策略，同时也发展出多种锌负极表征方法。在今后的研究中，还应进一步关注以下问题，如深入探索锌离子界面沉积及界面副反应机理、开发可规模化的改善策略、基于实际应用制定标准化测试方法、设计特定应用场景下的锌负极等。