二维材料改进锌离子电池负极的原理、进展和挑战

水性锌离子电池具有高安全、低成本、环保和高能量密度的特点，被认为在大规模储能领域具有良好前景。尽管科研人员在开发高性能正极方面已取得了大量进展，但锌负极所存在的问题，如枝晶生长、腐蚀和析氢，依然严重缩短了电池寿命，限制了实际应用。基于二维材料的改进负极已被广泛研究，用于解决这些问题。原子尺度的二维材料具有超高比表面积、大量暴露的活性位点、优异的机械强度和柔韧性以及独特的导电性，因而是一种理想的负极材料。

本综述旨在通过结合基本原理和研究进展，推动应用于负极二维材料的合理设计，以提升ZIB的实际应用价值。文章首先结合锌负极的缺点，介绍二维材料发挥改进效果的基本原理。然后全面总结了几种典型的锌负极二维材料的设计策略与研究现状。最后，展望了利用二维材料的这些优异特性开发先进锌负极的前景。

2D Materials Boost Advanced Zn Anodes: Principles, Advances, and Challenges

Songhe Zheng, Wanyu Zhao, Jianping Chen, Xiaoli Zhao, Zhenghui Pan* & Xiaowei Yang*

Nano-Micro Letters (2023)15: 46

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01021-9

本文亮点

1. 详述了二维材料对锌负极起到保护作用的工作机制。

水性锌离子电池具有高安全、低成本、环保和高能量密度的特点，但负极侧枝晶生长与大量副反应的存在使得这种“后锂离子电池”距实际应用仍有一段距离。自从几十年前石墨烯被发现以来，越来越多的二维材料由于其独特的化学、物理和机械性能，在能量存储方面获得了巨大的关注。事实上，二维材料已被广泛证明可以用于制备锌离子电池的高性能负极。然而，迄今为止，尚未发表关于二维材料用于高性能锌离子电池负极的设计原理、研究进展和未来挑战的全面而详细的综述。同济大学&上海交通大学杨晓伟课题组近日发表的综述补充了该部分内容。这篇综述从用作保护层、框架材料、电解液和隔膜添加剂的角度，回顾几种典型的二维材料在锌负极应用的进展。文章首先介绍了锌负极缺陷以及二维材料性能提升的基本原理，随后全面总结并讨论了二维材料在该研究领域的设计策略，并对今后的锌离子电池发展前景进行了积极展望。

I 二维材料性能与应用策略总结

自从几十年前石墨烯被发现以来，越来越多的二维材料由于其独特的化学、物理和机械性能，在能量存储方面获得了巨大的关注。二维材料作为一类超薄层状结构纳米材料，具有超高比表面积、大量暴露的活性位点、优异的机械强度，柔韧性以及导电性，已被广泛使用，通过多种策略实现锌离子电池先进负极的制备。

图1. 利用二维材料特性开发高性能锌离子电池负极的总体示意图。

II 二维材料保护锌负极工作机制

图2. (a) 由二维材料形成的界面具有高的电子和离子传导率，可以减少浓度极化并抑制枝晶的发生；(b) 具有高机械强度的保护层可以有效地释放锌在沉积过程中产生的应力；(c) 具有较高表面能的二维纳米片形成的界面使锌倾向于沿二维平面逐层沉积在基底上。

III 二维材料保护锌负极研究的发展进在锌离子电池中应用二维材料的主要尝试可以追溯到2018年，锌表面涂覆还原氧化石墨烯作为新型负极。随后，2019年人们对石墨烯增强锌阳极稳定性的机制进行了更深入的研究。此后，更多类型的二维材料和保护策略被开发出来。除了用作负极保护层或沉积框架外，研究人员还探索了二维材料作为电解质添加剂或隔膜改性剂的可能性。同时，为了进一步增强二维材料的实用性并扩大其适用性，研究人员已尝试使用各种分子、零维颗粒或其他纳米材料和聚合物与二维纳米片形成复合材料，以获得具有更高性能的锌离子电池。

图3. 概述锌离子电池负极二维材料发展历程。

作者简介

郑松鹤

本文第一作者

同济大学 硕士研究生

▍主要研究领域
(1)水系锌离子电池负极保护;(2)钒氧化物正极材料。

潘争辉
本文通讯作者

同济大学 研究员

▍主要研究领域

下一代多价金属电池技术及关键材料：锌离子电池、镁离子电池、智能可穿戴柔性电池。

▍主要研究成果

2015-2018年在中国科学院大学/中科院苏州纳米所张跃钢教授课题组攻读博士学位，随后加入新加坡国立大学工学院John Wang教授课题组从事博士后研究工作。2022年3月加入同济大学材料科学与工程学院。2021年入选“上海市海外高层次人才”、同济大学“青年百人计划”。以第一/共同通讯作者在Adv. Energy Mater.、ACS Nano、 Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater.等发表学术论文40余篇；参编英文专著1部。
▍Email：zhenghuipan@tongji.edu.cn

杨晓伟

本文通讯作者

上海交通大学 研究员

▍主要研究领域

(1)镁二次电池；(2)电解液化学；(3)膜及膜分离；(4)限域、界面传递过程； (5)  生物界面材料、干细胞技术。

▍主要研究成果

杰青、万人计划青年拔尖人才、上海市曙光学者。2011年获得上海交通大学应用化学专业博士学位，2009-2014年在澳大利亚Monash大学先后任研究助理和博士后研究员。2014年任同济大学材料科学与工程学院特聘研究员，2020年开始任上海交通大学化学化工学院研究员。曾先后承担国家杰出青年科学基金、科技部青年973计划、国家基金委面上/青年基金资助。以第一/通讯作者在Science、Adv Mater、Angew Chem Int Ed等高水平期刊发表90多篇学术论文，最高单篇他引1500余次，总引用次数6000次以上。
▍Email：yangxw@sjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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