可充电锌金属电池（ZMB）因其安全性、成本效益和高理论容量，被视为大规模储能系统中极具潜力的解决方案。然而，锌金属阳极的发展面临诸多挑战，包括枝晶形成、析氢反应（HER）以及由于水性电解质中不良界面过程导致的低库仑效率等问题。本文综述了提升锌阳极性能的各种策略，特别关注人工固体电解质界面（SEI）、形态调控、电解质优化和流动电解质的应用。这些方法旨在抑制枝晶生长、减轻副反应，并优化双电层（EDL）和Zn2+ 溶剂化结构。通过应对这些界面挑战，本文提供的见解为设计高性能ZMB 提供了新的思路，为未来可扩展和可持续电池技术的研究指明了方向。

水系锌金属电池（ZMBs）是水系金属离子电池的一种。由于Zn²⁺的半径与Li⁺相近，这表明Zn²⁺可以嵌入适当的材料中进行存储。Zn²⁺相对于标准氢电极的标准电极电位为-0.76V，当与合适的正极材料匹配时，能够为全电池提供理想的电动势。相较于电极电位更负的金属电极（如镁和铝），锌金属在水系电解液中的沉积过程中表现出较低的析氢副反应强度，这是由于其较高的析氢过电位所致。这一特性使得锌金属成为水系金属离子电池中更为理想的负极材料。除了具备适宜的离子半径和电极电位外，锌金属还具有成本低廉、理论体积容量高（5850毫安时/立方厘米）等优点。然而，为了实现二次能源电池的实际应用，仍需进一步提高系统的可逆性和稳定性。

当前水系锌金属电池的结构如图1A 所示。与锂离子电池类似，锌金属电池的正极由能够实现锌离子（Zn2+）可逆嵌入和脱嵌的材料构成，包括二氧化锰（MnO2）、钒氧化物、普鲁士蓝类似物以及有机正极材料。水系电解液通常通过将锌盐（如硫酸锌、氯化锌和三氟甲磺酸锌）与水和有机溶剂共溶制备而成，从而形成一般呈中性或弱酸性的溶液。在负极一侧，锌金属在整个循环过程中会发生溶解-沉积反应。

图1.所示,锌电池面临的挑战

A）全电池中Zn²⁺载流子完全转移的示意图

B）稀电解质和浓电解质中电沉积形态和离子浓度的差异

C）锌金属在Zn||锌对称电池中循环后的SEM成像。

D）Zn在2mol L ^-1 ZnSO4溶液中的倾析图。

E）循环Zn阳极界面的XRD图谱。

F）F)镀锌/剥离过程的现场光学图像。

由于水系锌基电池成本极低、无毒且安全，其在大规模储能应用方面具有巨大的发展潜力。这也是尽管这一新兴领域仅有十年历史，却已吸引了众多研究人员关注的原因之一。

尽管锌金属电池（ZMBs）具备诸多优势，其实际应用仍面临若干关键界面挑战的制约，如锌金属阳极上的枝晶生长、析氢反应（HER）及寄生副反应。本文综述聚焦于界面调控与电解质设计策略，将其视为应对水系锌金属电池界面挑战的两大核心路径。通过系统性地剖析这些策略的成功案例、局限性及其潜在机制，本研究旨在全面总结当前的研究进展，并明确未来的研究方向。

图2.锌阳极上的有机涂层。(A - c）(A)部分涂有apalayer而另一半裸露的新鲜锌板在水中浸泡7天前后进行检查。(B)涂有Zn的对称锌电池的长期恒流循环。(C) PA层上锌沉积示意图。版权所有2019英国皇家化学学会。(D) Zn 2+在Zn（001）和ZIF-8上的计算结合能。(E) Zn 2+在Zn（001）和ZIF上的活化能从一个能量最小值迁移到另一个附近的最小值。26 (F - h) (F) fof薄膜的合成过程。(G) FCOF@Zn和裸Zn表面沉积过程机理比较。(H)有或没有FCOF薄膜保护的锌对称电池的循环性能

图3.锌阳极无机材料涂层。(A)掺杂N和o的石墨烯的结构和NGO@Zn样品的SEM图像。 (B) HsGDY生长前后Zn板颜色演变的数字图像。(C) HsGDY合成示意图。 (D)不同暴露面Zn与锐钛矿tio2相互作用示意图。(E)不同镀层的镀锌工艺示意图。 (F)采用原位策略在Zn金属衬底表面引入ZnS层。(G)裸锌箔和纳米caco3锌箔在剥离/镀锌循环过程中的形貌演变示意图。(H)锌基MMT界面抑制副反应和枝晶形成的示意图

结论与展望

我们回顾了锌金属阳极在沉积/溶解反应中所面临的挑战，包括枝晶形成、腐蚀以及水电解质中的副反应，这些因素严重阻碍了锌基电池的发展。本研究深入探讨了多种增强策略对锌阳极稳定性和可逆性的影响，具体包括人工SEI的构建、形貌和结构的调整、电解质调控及流动电解质的应用。通过系统分析这些改性方法的性能改进机制，为锌阳极的设计提供了宝贵的见解与指导。尽管已取得显著进展，但实现RZBs（可充电锌电池）的商业化仍需进一步努力，特别是在解决大面积和高容量锌沉积相关问题方面，其中不均匀沉积加剧了枝晶形成和氢气演化。为了达到高能量密度并确保出色的循环性能，进一步研究SEI的形成和演化至关重要。然而，要建立高效的锌金属阳极，还需克服若干关键挑战。

为了构建具有更高能量和功率密度的锌离子电池，应采用较低的负极/正极（N/P）比。这需要在整合多种优化策略的同时尽量减少过量锌的使用。这些策略包括人工固态电解质界面（SEI）层的构建、结构优化以及电解液调节，以协同解决界面问题，并实现可扩展的高性能锌金属电池。

其次，应开发具有优化成分和结构的SEI层，以促进更高速率的锌沉积。设计良好的SEI可以改善锌沉积的均匀性，减少副反应，提高电池的整体循环稳定性。

第三，可以开发一种新型电解质体系，以显著降低锌界面的析氢反应。尽管现有研究主要集中在优化锌离子的溶剂化壳层结构上，但对于电解质微观结构设计的关注相对较少。利用先进的表征工具，能够为电解质微观结构的演变提供更为深入的机制见解，这对于开发创新性电解质至关重要。这些创新性电解质可以通过减少不必要的副反应来提高库仑效率。

第四，未来的研究应重点关注探索和开发具备更高电压和比容量的新型锌离子正极材料。高性能的正极材料能够显著提升锌基混合电池的整体能量密度与性能，从而增强其在储能技术领域的竞争力。

第五，凝胶电解质和固态电解质（SSEs）对于锌阳极而言是极具前景的发展方向，其中原位形成的固体电解质界面（SEI）的作用值得深入探讨。然而，这两种电解质的内在特性显著影响了SEI的形成机制，特别是通过限制阴离子的迁移。在凝胶电解质中，阴离子被固定于聚合物基质内；而在固态电解质中，阴离子的迁移受到固体晶格结构的限制，从而降低了它们在界面反应中的参与度，并抑制了大量阴离子衍生SEI层的形成。因此，在这些系统中，SEI层通常不够显著，其必要性仍有待进一步研究。

最后，锌金属电池的商业化进程面临经济和制造方面的多重挑战。必须仔细评估正极材料及电解质成分的成本效益，并开发可扩展的生产技术。在确保材料性能的同时兼顾工业可行性，是实现大规模应用的关键所在。此外，探索锌金属电池与其他储能技术（如锂离子电池和铅酸电池）之间的潜在协同效应，有助于更好地满足住宅及大规模储能应用的需求。