Design Strategies Toward Zinc Anodes with High Utilization Rate for Practical Aqueous Zinc-Ion Batteries

Yahan Meng*, Jintao Qi, Apeng Li, Xiang Li, Ze Xu, Kunjie Ding, Mingming Wang*, Ying Ian Chen, Shaoming Huang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 443

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02301-w

本文亮点

1. ZUR作为关键指标：高锌利用率(ZUR)被确定为弥合水系锌离子电池(AZIBs)理论能量密度与实际能量密度差距的决定性因素。

2. 三元协同改性：系统评估了通过调控负极结构、电解液组成和隔膜功能，在高ZUR条件下稳定锌负极的最新进展。

3. 商业化路线图：未来展望强调采用标准化测试（包括低N/P比和贫电解液条件），并结合AI驱动的材料筛选，以加速AZIBs产业化。

研究背景

可再生能源的利用对于缓解全球能源危机和环境污染至关重要。然而，风能、太阳能等可再生能源具有间歇性和不连续性，因此需要发展与其发电特性相匹配的储能技术。在各类储能技术中，电化学储能技术，尤其是可充电电池，凭借高效率和高灵活性，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和电网级储能。水系锌离子电池(AZIBs)凭借高安全性、低成本和环境友好等优势，已成为大规模储能系统的潜力候选。然而，锌(Zn)负极会发生析氢、枝晶生长、腐蚀和钝化等一系列副反应，导致活性Zn材料不可逆损失，并显著降低锌负极的循环稳定性。

内容简介

为减轻上述问题的影响，现有体系通常使用过量锌负极，以保证长期运行过程中持续供应Zn。然而，过量Zn会使AZIBs的实际能量密度远低于商业化要求。提高锌负极利用率(ZUR)并优化负/正极容量比(N/P)是实现高能量密度的有效途径。国科大杭州高等研究院化学与材料科学学院黄少铭等人系统总结了高ZUR锌负极面临的挑战，并从负极、电解液和隔膜三个方面详细讨论了提高ZUR的改性策略。作者展望了高ZUR锌负极及高能量密度AZIBs的未来发展方向与前景。随着技术持续进步和创新不断推进，AZIBs有望突破当前瓶颈，并为全球可持续能源体系的发展作出贡献。

图文导读

I ZUR的定义及其对实际能量密度的意义

图1从定量角度说明了锌利用率为何是评价实用水系锌电池的核心指标。对于直接采用锌箔的体系，图1a将ZUR定义为放电过程中实际剥离的锌容量与初始锌负极理论容量之比；对于在集流体上预沉积锌的体系，图1b则以可逆剥离容量相对于预沉积容量的比例表征ZUR。两种定义虽然对应不同负极构型，但共同强调：只有真正参与可逆反应的锌才会贡献器件能量。

这一指标对整电池能量密度的影响在图1c中被进一步量化。以正极比容量200 mAh g⁻¹、放电电压1.5 V为例，ZUR仅为10%时，理论能量密度约为67 Wh kg⁻¹；当ZUR提高至100%时，可提升至约315 Wh kg⁻¹。图1d由此把传统过量锌负极电池与无负极构型并置：前者依赖厚锌箔维持寿命，却牺牲质量能量密度；后者从正极提供锌源，在集流体上完成沉积/剥离，为提高ZUR和减少无效负极质量提供了更直接的结构路径。

图1. 锌利用率(ZUR)的定义及其对电池能量密度的影响。(a)原始锌负极的ZUR；(b)预沉积锌负极的ZUR；(c)正极容量为200 mAh g⁻¹时，不同ZUR和放电电压下的理论能量密度；(d)传统锌电池与无负极锌电池的结构比较。

II 高ZUR条件下的锌耗尽失效与效率门槛

当可用锌被压缩到接近实际需求时，微小的不可逆损失会被持续累积。图2a以示意方式串联了这一失效过程：析氢、腐蚀、钝化以及不均匀沉积共同消耗活性锌，并最终造成界面阻抗上升与容量衰减。图2b给出的Zn–Ti电池电压—时间曲线进一步定位了失效来源；电池出现明显极化后，补充电解液并不能恢复性能，而更换锌电极后极化显著消失，说明主要问题来自活性锌耗尽，而非单纯的电解液不足。

在此基础上，图2c用库仑效率(CE)与容量保持率之间的关系给出了高ZUR体系的严苛门槛。当ZUR为100%时，若要循环1000次后仍保持80%的容量，平均库仑效率需要高于99.98%；若ZUR仅为99%，可用容量会在不足500次循环内趋近于零。由图2a至图2c形成的逻辑表明，高ZUR并非简单减少锌用量，而是要求沉积/剥离过程几乎不允许出现持续性的副反应与“死锌”损失。

图2. 高ZUR锌负极的失效行为与效率要求。(a)高ZUR条件下锌负极失效示意图；(b)补充电解液及更换锌负极前后的Zn–Ti电池电压—时间曲线；(c)ZUR为100%时，不同库仑效率对应的预测容量保持率。

III 高ZUR锌负极的三维协同稳定化路径

图3构建了本文综述的总体策略框架：负极、电解液与隔膜不再被视为彼此独立的组件，而是共同决定有限锌库存的可逆利用。负极侧可通过人工保护层、亲锌成核位点、三维导电骨架及预沉积结构均化局部电流并降低形核势垒；电解液侧则通过调节溶剂化结构、降低水活性、构建稳定SEI以及抑制析氢和腐蚀，减少每一循环中的不可逆消耗。

与上述两条路径相配合，功能隔膜利用表面官能团、孔道结构或电场调控Zn²⁺迁移，缓解浓差极化并阻止枝晶穿透。图3因此展示的不是单一材料优化，而是一套面向高ZUR的协同工程：让Zn²⁺通量更均匀、界面反应更选择性、沉积形貌更致密，最终使有限锌源在长循环中仍能保持连续、可逆的供给。

图3. 高ZUR锌负极的稳定化策略概览，包括负极结构设计、电解液优化和功能隔膜调控。

IV 人工保护层稳定锌负极的八类机制

图 4 将人工保护层对锌负极的稳定效应归纳为八类相互关联的作用机制。①物理屏障效应：隔绝活性水分子，抑制锌负极的直接腐蚀；②亲锌成核位点效应：降低锌的成核能垒，促使锌在更大的界面区域同步形核；③离子选择性传输：保护层实现对 Zn²⁺通量的精准调控；④局部电场调控：保护层中的高介电或导电组分重新分配界面局部电场，削弱电极表面的尖端效应。

随着锌沉积持续发生，⑤静电屏蔽效应：带电界面排斥后续富集的Zn²⁺，抑制尖端处的优先生长；⑥晶面诱导效应：诱导金属锌沿热力学更稳定的晶向择优取向生长，获得平整沉积层。与此同时，⑦溶剂化结构重构：保护层内配位基团可以重塑 Zn²⁺溶剂化鞘层，减少水分子随锌离子迁移至电极界面；⑧自修复效应：含有动态化学键或具备流动性的保护层，能够及时填补循环过程中产生的界面裂纹。八种机制从传质、电场、结晶和界面化学多个尺度协同，使保护层能够适应高ZUR下更高的局部反应强度。

图4. 人工保护层调控锌沉积的主要机制：物理屏障、成核位点、Zn²⁺通量调节、电场再分布、静电屏蔽、晶体取向控制、溶剂化结构调节和自修复。

V 保护层策略的代表性设计与性能

图5以多类界面设计展示人工保护层如何转化为高ZUR性能。图5a中的AZO层为Zn@AZO提供均匀离子通道和界面屏障；图5b从带隙与剪切模量比较候选SEI组分，强调电子绝缘性与机械稳定性需要兼顾；图5c进一步比较Zn在ZHS、ZnO、ZnF₂、Zn₃(PO₄)₂和ZBO等界面上的扩散能垒，用原子尺度迁移能力解释不同界面层对横向铺展和枝晶抑制的差异。

这些结构—机制关系在电化学结果中得到连续验证。图5d显示，ZnSnF@Zn-2在不同ZUR下均比裸锌保持更稳定的循环；图5e中，LPL保护的对称锌电池在3 mA cm⁻²、12 mAh cm⁻²和93.2% ZUR的严苛条件下仍实现稳定沉积/剥离。图5f所示MPVMT层通过扩展有效基底并筛选离子传输过程，支撑了图5g中的安时级MPVMT@Zn||MnO₂软包电池。最后，图5h把测试推进到8 mA cm⁻²、10 mAh cm⁻²和85% ZUR；VAG-Ce@Zn对称电池仍可运行约1200 h，说明合理保护层能够同时承受高面容量、高电流与高锌利用率。

图5. 高ZUR锌负极人工保护层的代表性研究。(a)Zn@AZO沉积示意图；(b)候选SEI材料的带隙与剪切模量；(c)Zn在不同界面上的扩散能垒；(d)裸锌与ZnSnF@Zn-2在不同ZUR下的循环；(e)LPL保护锌对称电池的循环；(f)MPVMT层的扩展基底与筛选机制；(g)安时级MPVMT@Zn||MnO₂软包电池；(h)VAG-Ce@Zn在85% ZUR下的循环性能。

VI 锌粉、预沉积和三维结构负极设计

除表面保护外，重构负极本体能够从源头提升活性面积与锌库存的可控性。图6a展示ZMA@3D Zn的制备流程，三维骨架配合界面调控层为沉积提供更多均匀位点；在图6b中，该电极于20 mA cm⁻²、20 mAh cm⁻²和38.1% ZUR下稳定运行超过1100 h，显著优于裸3D Zn。图6c把利用率进一步推至96%，GPE-CB-ZnP对称电池在2 mA cm⁻²、9.3 mAh cm⁻²下仍可循环超过430 h。

对于预沉积和薄层锌，界面的一致性尤其重要。图6d中的4Mpy自组装单层通过有序配位环境调节Zn²⁺并抑制副反应；图6e则利用双面ZnS/Zn/Cu构型均衡两侧离子与电子传输。与之呼应，图6f的有限元结果显示结构设计可降低局部应力集中，图6g的XRD对比表明BN–Zn–Cu循环后仍保持更有利的晶体取向。最终，图6h将这些负极理念置于3DGT@Zn//V2O5全电池中，在4 A g⁻¹和约1.74的低N/P比下验证其面向实用器件的可行性。

图6. 结构化与预沉积锌负极的代表性设计。(a)ZMA@3D Zn制备；(b)裸3D Zn与ZMA@3D Zn循环；(c)GPE-CB-ZnP在96% ZUR下的循环；(d)4Mpy自组装单层调控；(e)双面ZnS/Zn/Cu机制；(f)有限元应力分布；(g)Zn–Cu与BN–Zn–Cu循环后的XRD；(h)低N/P比3DGT@Zn//V₂O₅全电池性能。

VII 电解液添加剂的多重调控机制

图7概括了少量电解液添加剂稳定高ZUR锌负极的多重作用路径。添加剂可以进入Zn²⁺第一或第二溶剂化壳层，替代部分配位水并改变去溶剂化过程；也可以优先分解，在锌表面原位生成电子绝缘、离子可导的SEI，从而减少水与新鲜锌直接接触。

在更靠近界面的尺度上，吸附型添加剂会重塑电双层，通过静电排斥或位阻效应抑制Zn²⁺在尖端聚集；特定分子或离子还能诱导锌沿低能晶面择优生长，使沉积层更致密平整。对于析氢和腐蚀引起的局部pH波动，缓冲型添加剂则可稳定界面酸碱环境并减少钝化副产物。因此，图7呈现的是从体相溶剂化到界面成膜、再到晶体生长和局部化学环境的连续调控链条。

图7. 电解液添加剂稳定锌负极的作用机制，包括溶剂化结构调节、SEI形成、电双层与静电排斥调控、选择性晶面诱导及pH缓冲。

VIII 电解液与凝胶体系实现高ZUR的代表性进展

图8将电解液工程从分子设计延伸到界面与凝胶网络。图8a显示25%环丁砜(SL)可重构溶剂化环境并改变界面反应，由此图8b中的Zn||Zn电池在24 mA cm⁻²、24 mAh cm⁻²和96% ZUR下明显优于不含SL的体系。图8c所示“盐析”策略在PC/水体系中形成有利的溶剂化结构和疏水界面；图8d进一步构筑外层晶态ZnCO₃、内层非晶ZnS的双层SEI，使图8e中的对称电池在2 mA cm⁻²、28.4 mAh cm⁻²及98% ZUR下稳定超过550 h。

动态界面和离子选择性同样能够降低有限锌的损耗。图8f展示原位胶体在沉积/剥离中的可逆调节过程，Colloid-6由此在图8g的10 mA cm⁻²、20 mAh cm⁻²和68.3% ZUR条件下循环超过700 h。图8h中的La³⁺重塑ZnSO₄电解液电双层，抑制尖端富集；图8i的XRD结果则显示PMCNA经过100和350次循环后仍能诱导有利的Zn(002)取向。最后，图8j中的HA凝胶通过连续网络调节离子传输和锌沉积，说明准固态介质也可为高ZUR体系提供机械约束与稳定微环境。

图8. 高ZUR锌负极的电解液与凝胶调控。(a)25% SL体系的溶剂化与界面反应；(b)0%和25% SL下的高ZUR循环；(c)PC/水体系的盐析溶剂化与疏水界面；(d)ZnCO₃/ZnS双层SEI；(e)98% ZUR下的循环；(f)原位胶体沉积/剥离；(g)Colloid-6循环；(h)La³⁺–ZnSO₄中的电双层；(i)PMCNA调控后的Zn XRD；(j)HA凝胶调节锌沉积。

IX 功能隔膜对离子通量与界面反应的调控

图9聚焦隔膜这一连接体相传输与电极界面的关键组件。图9a给出了Janus隔膜的构筑过程，通过两侧差异化功能分别适配电解液与锌表面；图9b中的PGZ隔膜在贫电解液条件下均化Zn²⁺通量，降低局部浓差。相应地，图9c显示P/FS-Z体系在80% ZUR下仍保持较稳定的电压响应，而图9d进一步归纳不同隔膜所造成的界面传质、吸附和成核差异。

功能化隔膜的价值还体现在全电池与高利用率负极的同步改善。图 9e 为 CNF-SO₃Zn隔膜与其他隔膜的多维度性能雷达对比图，隔膜依靠磺酸根官能团构筑连续锌离子传输通道；在图9f中，约15 mg cm⁻²高负载MVOH正极与锌负极组成的全电池，也因隔膜优化而获得更稳定的循环。图9g的电场模拟表明ZnHAP/BC能够平滑局部场强并引导均匀沉积，这一机制最终对应图9h在50% ZUR下长达约1000 h的锌负极循环，显示隔膜并非被动阻隔层，而是可主动管理有限锌源的界面调节器。

图9. 功能隔膜稳定高ZUR锌负极。(a)Janus隔膜制备；(b)PGZ隔膜在贫电解液中均化Zn²⁺通量；(c)P/FS-Z在80% ZUR下的电压曲线；(d)不同隔膜的界面机制；(e)CNF-SO₃Zn性能比较；(f)高负载Zn||MVOH全电池；(g)ZnHAP/BC电场模拟；(h)50% ZUR下的长循环。

X 面向实用水系锌电池的未来路线图

图10把未来发展从单点材料性能扩展到整套实用化评价体系。负极结构仍需兼顾高比表面积、低无效质量和均匀沉积，电解液则要在降低水活性、形成稳定界面与控制成本之间取得平衡；先进隔膜应同时承担离子筛分、通量均化和枝晶抑制功能。为了缩短材料筛选周期，还需要把原位/工况表征与DFT、分子动力学模拟及AI驱动的高通量预测结合起来，建立可验证的结构—界面—寿命关系。

器件层面的约束同样不可缺少。图10提示正极选择必须考虑高载量、可逆容量与电压平台，并通过软包或方形电池的结构、封装和制造工艺验证放大可行性。更重要的是，研究结果应在低N/P比、贫电解液(低E/C比)、高正极载量以及宽温度范围内进行标准化报告。由此，评价逻辑将从“用过量锌保护寿命”转向“在有限锌库存中管理每一次可逆反应”，从而使高ZUR、长寿命和高能量密度真正同时成立。

图10. 高ZUR锌负极及实用水系锌离子电池的未来研究方向，包括负极、电解液和隔膜协同设计，先进表征与计算/AI筛选，正极匹配，器件制造，以及低N/P比、贫电解液和高载量条件下的标准化评价。

XI 总结与展望

总之，高ZUR锌离子电池的发展已经取得显著进展。要实现锌离子电池的广泛应用，仍需开展大量研究与创新。未来发展不仅要解决锌负极和正极材料的性能瓶颈，还需优化电池结构设计、电解液配方和制造工艺等多个环节。随着机理研究不断深入以及新材料、新技术持续涌现，水系锌离子电池有望在商业应用中同时实现高ZUR、长循环稳定性和高能量密度。我们相信，在全球科学界共同努力和技术持续创新的推动下，水系锌离子电池将在储能系统中发挥愈发重要的作用，并成为下一代高效、安全且具成本效益的储能方案的有力候选。

作者简介

黄少铭

本文通讯作者

国科大杭州高等研究院 教授

▍主要研究领域

低维材料、材料物理、纳米电子学及先进储能材料与器件。

▍主要研究成果

南开大学博士。曾在英国萨塞克斯大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、美国杜克大学、南京大学、温州大学和广东工业大学从事科研与教学工作，2024年起任国科大杭州高等研究院教授。长期开展低维/纳米材料、材料物理与能源存储研究，并指导团队推进高安全水系锌电池的界面与器件工程。

▍Email：smhuang@ucas.ac.cn

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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