Science子刊 | 高可逆水系锌粉基电池！

水系锌（Zn）离子电池（AZIBs）发展迅速，但实际应用受限于过高的负极/正极（N/P）比（>50），导致能量密度降低。虽然Zn粉负极可以降低N/P比，但其高比表面积会加速副反应，缩短电池寿命。基于此，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋院士和郝俊南研究员（共同通讯作者）等人报道了一种利用干法工艺制备出高负载、高度可逆的Zn粉负极，其表面形成非电化学驱动的固态电解质界面（SEI）。通过电解液中的Zn2+与负极中的磷酸钠（Na3PO4）发生简单的沉淀反应，在负极内部均匀生成Zn3(PO4)2基SEI层，有效抑制了Zn的腐蚀和析氢反应（HER）。

图1.机制示意图

不同于由传统电化学沉积驱动形成的SEI，这种非电化学SEI仅在静止过程中形成，并在所有Na3PO4转化为Zn3(PO4)2后停止。更重要的是，该干法工艺可同时制备Zn粉负极和碘化锌（ZnI2）正极，实现了完全干法加工的整套电池，具有超高正极比表面积，且易于大规模生产。得益于这种独特的SEI层和干法工艺，低N/P比（约4）的纽扣电池在1600次循环后仍保持高达86.5%的高容量保留率。

当扩展至软包电池时，基于Zn粉体系实现了较高的正极比表面积（12.5 mAh cm-2）。其中，N/P比约为3的软包电池实现了长达530次循环的使用寿命（容量保持率88.8%），即使在正极面积负载高出约20倍的情况下，仍达到了此前报道的水平。值得注意的是，该策略结合易于扩展的干法工艺技术，为加速高性能Zn基储能系统的工业化提供了切实可行的路径。

图文解读

受沉淀反应的启发，作者提出了一种假设：通过将功能性添加剂直接引入负极，使其在静止过程中选择性地与电解液发生反应，从而生成非电化学驱动的SEI。利用干法工艺以防止在电极制备过程中磷酸钠（Na3PO4）的溶解，并使Na3PO4在Zn粉负极中实现良好的空间分布。电解液浸润后，Na3PO4在Zn粉和碳表面附近溶解，并与Zn2+自发反应，在Zn负极上形成均匀的基于Zn3(PO4)2的SEI膜。干法阳极通过充分混合锌粉、所需量的Na3PO4、活性炭（AC）和聚四氟乙烯（PTFE），再经热轧成型为自立式电极。含/不含Na3PO4的负极体系分别记为ZnP@NP和ZnP。

图2.干式加工的可扩展制备和机械稳定的ZnP@NP电极

图3.静态过程中非电化学驱动形成的SEI

Tafel曲线显示，ZnP@NP电极的腐蚀电位（Ecorr=-0.896 V）和腐蚀电流（icorr=0.673 mA cm-2）均高于ZnP（Ecorr=-0.951 V, icorr=2.30 mA cm-2），表明其抑制了副反应。线性扫描伏安法曲线（LSV）显示，ZnP@NP的析氢反应（HER）相关电流密度低于ZnP，表明其HER反应被有效抑制。在ZnP@NP负极的Zn||Cu半电池中，经过200次循环后仍保持稳定的库仑效率（CE），平均值为99.46%；而纯ZnP电极在2 mA cm-2、2 mAh cm-2条件下，100次循环后CE迅速衰减。

在不同循环周期内采集的电压曲线显示，由于缺乏SEI层，ZnP在前10 h内表现出比ZnP@NP更低的极化程度。经过45 h循环后，极化程度迅速上升至相同水平，并在100 h循环后显著升高。此外，在长时间循环条件下，ZnP@NP对称电池在3000 h内保持了高度稳定且低极化的电压特性，而ZnP对照电极仅在约120 h后失效，表明ZnP@NP电极具有更长的使用寿命。

图4. ZnP和ZnP@NP电极电化学表征

在ZnP||ZnI2电池系统中，在充电和放电过程中持续检测到H2析出信号，表明存在持续的水还原反应以及Zn/电解液界面不稳定。相比之下，基于ZnP@NP的电池在初始阶段仅表现出微弱的H2析出。循环后的SEM图像显示，由于HER、Zn腐蚀以及循环过程中的体积膨胀等副反应，ZnP电极在循环后出现严重的结构退化。能谱分析（EDS）映射证实ZnP@NP表面持续存在磷元素，表明非电化学驱动的SEI在反复沉积/溶解过程中保持稳定。结果表明，非电化学驱动的SEI能够实现平稳的Zn沉积/溶解过程，并有效抑制长期循环过程中枝晶生长和结构缺陷的形成。

图5. ZnP和ZnP@NP全电池的原位表征

由于Zn表面不稳定，纯ZnP体系在0.5 C、1 C、2 C和5 C倍率性能下，分别仅提供138、125、118和104 mAh g-1的容量。即使在5 C的高倍率下，ZnP@NP体系仍能保持126 mAh g-1的放电容量，并在降低倍率后恢复至原始容量，证实了稳定化的Zn界面有助于加快反应动力学，实现更可逆的Zn沉积与析出。在低电流密度0.5 C和低N/P比约2的条件下，ZnP@NP纽扣电池在超过250次循环后仍能保持高达83.3%的高容量保留率，明显优于ZnP体系（ZnP体系循环约60次后容量降至80%以下）。当电流密度增加至5 C（电压窗口：0.6-1.7 V）时，ZnP@NP纽扣电池在经过1600次循环后仍保持高达86.5%的容量保留率，而ZnP电池在约780次循环后仅能维持80%的容量保留率。

此外，ZnP@NP软包电池具有超过12.5 mAh cm-2的高正极比表面积和N/P比约4，在约1.4 C条件下经过250次循环后仍可保持86.3%的优异容量保留率，而使用ZnP的电池在相同条件下出现明显容量衰减。即使在约2.3 C（电压窗口：0.6-1.7 V）下，ZnP@NP软包电池仍可实现超过530次的循环寿命，是已报道值的两倍，其正极比表面积负载量约为前者的20倍，表明了非电化学驱动的SEI在实际高电流条件下仍具备良好的稳定性。

图6. ZnP||ZnI2和ZnP@NP||ZnI2全电池在实际条件下电化学性能

文献信息

Fully dry-processed electrodes for highly reversible aqueous zinc powder-based batteries. Science Advances, 2026, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh1116.

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