Peng Zhang, Min Wang, Yang Yang, Juan Tian, Man Huang, Lili Chen, Jingang Wang, Caixia Xu, Dedong Jia*, Hua Tan*, Hong Liu, Dongliang Chao* & Weijia Zhou*
Nano-Micro Letters (2027)19: 39
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02350-1
1. 全流程系统梳理:系统总结锌负极改性策略,聚焦锌电沉积从成核到生长的完整序列过程,理清沉积行为演化的微观机制。
2. 多尺度调控框架:建立全链条多尺度调控体系,深度解析亲锌调控、晶格匹配效应、3D结构工程三大核心互补策略的作用机制、设计原则与最新研究进展。
3. 前瞻性方向指引:梳理实用化负极工程的核心挑战,强调从经验试错到理性材料设计的范式转变,提出面向商业化水系锌离子电池的前沿研究方向。

水系锌离子电池(AZIBs)凭借水系电解液的本征安全性、锌资源的低成本与环境友好性,以及锌金属负极较高的理论质量容量(820 mAh g⁻¹)和体积容量(5855 mAh cm⁻³)与合适的氧化还原电位,被视为锂离子电池体系的有力补充,在智能电网、自动驾驶、航空航天等领域展现出应用潜力。然而,锌金属负极在循环过程中存在枝晶生长、析氢副反应与表面钝化等问题,损害电池的长期电化学稳定性,制约AZIBs的实用化。锌沉积是一个包含多阶段成核与生长的复杂过程,现有负极设计与实际沉积行为之间的构效关系仍有待厘清;多数改性方法仅针对沉积的单个步骤(扩散、吸附、成核或生长),难以实现全流程协同调控。
图1. AZIBs中锌阳极的挑战与结构特性。a AZIBs在电网级可再生能源储存系统中的应用示意图。b AZIBs的工作机制。c 影响锌阳极性能的主要挑战,包括枝晶生长、析氢副反应和表面钝化。
针对水系锌离子电池锌负极枝晶生长、界面副反应的核心瓶颈,济南大学周伟家团队联合复旦大学晁栋梁、安徽工业大学贾德东等团队,聚焦锌沉积基底与功能界面工程,系统解构了沉积过程的五个连续阶段,明确了成核与生长两大核心调控靶点,构建涵盖原子调控、界面改性、空间限域的多维度调控框架,深度阐述“亲锌性调控-晶格匹配工程-3D结构工程”三大核心设计策略的作用机制与构效关系,结合领域最新进展指明从经验试错到理性材料设计的范式转变,并展望未来研究方向,为高性能无枝晶锌负极的开发提供系统的理论指引与实践参考。

图2. 在AZIBs中锌的电沉积行为。a 在弱酸性/中性电解质中锌沉积过程示意图。b 锌阳极三种核心调控策略:亲锌调制、晶格匹配工程和三维结构调控。
II 亲锌性调控:诱导均匀锌成核

图3. 亲锌性在调节锌成核行为中的作用。a 锌与常见基底材料之间的结合能。b 初始锌成核过程的吉布斯自由能图和 c 电压曲线。d 基底上电解质的润湿性。e 锌与其他金属之间的接触角。
图4. 调节亲锌性促进锌均匀成核。a 锌与不同基底之间的结合能。b 锌原子在不同晶面上的吸附能及相应吸附构型。c 锌在5 mA cm⁻²电流密度、1 mAh cm⁻²面积容量下沉积时的极化曲线。d PDMS@Zn阳极工作机制示意图。e Zn²⁺在纯锌和PDMS@Zn表面上的吸附能计算。f O掺杂和N掺杂石墨烯的计算模型,以及锌原子与原始、O掺杂和N掺杂石墨烯各种构型之间的结合能汇总。g 原始石墨烯与缺陷修饰石墨烯构型的结合能比较。

图5. 晶格失配对锌成核生长过程的影响。a 锌外延生长示意图。b 晶格失配对不同外延生长模式的影响。c 锌与常见基底之间的晶格错配。
图6. 不同晶体取向单晶锌基底上的外延生长行为。a (002)晶面示意图。b 对应的取向沉积模式。c Zn(002)电极在对称电池中沉积0.67 mAh cm⁻²后的SEM图像。d (101)晶面示意图。e 对应的取向沉积模式。f 在Zn(101)电极上沉积3 mAh cm⁻²后的SEM图像。g (110)晶面示意图。h 对应的取向沉积模式。i Zn(110)电极在5.0 mA cm⁻²、2.0 mAh cm⁻²条件下于对称电池中循环100次后的SEM图像。
图7. 低晶格失配基底上的锌外延生长行为。a Gr(0002)与Zn(002)晶格失配示意图。b 外延锌电沉积设计原理。c 在Cu(111)上以10 mA cm⁻²电流密度、1 mAh cm⁻²面积容量沉积锌后的SEM图像。d 锌沉积过程中的晶格应力分析。e Al-0.1wt%Si基底上沉积锌层的应力测量。f ZnCO₃自生调控层上锌成核与生长示意图。g 基于扩展基底筛选策略设计用于稳定锌负极的MPVMT层。h MPVMT层上的成核行为示意图。

图8. 三维基底在调节锌沉积中的作用。a-c 具有3D多孔、阵列和纺织结构的电极示意图。d 锌沉积过程中2D平面和3D基板上的模拟电场分布。e 3D阵列电极在锌沉积过程中实现的均匀离子通量分布示意图。f 3D基板中体积容纳百分比与电活性面积比的相关性。g 3D锌电极体积应力缓解示意图。h 日历老化对不同基底结构下锌金属阳极库仑效率的影响。
图9. 3D基底设计用于调节锌沉积行为。a 锌阳极在沉积和长时间循环后不同基底结构的形貌演变。b Zn@2D Cu和Zn@3D Cu电极局部电场的相对强度分布模拟。c Cu₅Zn₈@NC纳米棒阵列的SEM图像。d Cu₅Zn₈@NC纳米棒阵列上锌沉积的捕获与调平机制示意图。e CuSnAg/SiOC电极锌沉积行为示意图。f P-G Zn@CuSnAg/SiOC-SR电极沉积锌后的示意图。g DG-Zn电极梯度结构设计示意图。
图10. 3D基底功能化调控抑制副反应。a 微疏水微/纳米结构示意图。b COMSOL模拟Zn100°电极在锌对称电池中沉积Zn²⁺ 40 s后的示意图。c 在2 A g⁻¹下循环2000次后的3D形貌。d LZ@Zn阳极上的锌沉积示意图。e 飞秒激光加工LIPSS电极示意图。f LIPSS电极的SEM图像(黄色矩形和红色圆圈分别标示微沟槽和纳米颗粒)。g LIPSS电极的HRTEM图像。h Zn-LIPSS阳极在5 mA cm⁻²电流密度下沉积9 mAh cm⁻²后的3D图像。i LTZn@CuZn₅电极调控锌电沉积的功能示意图。
贾德东
本文通讯作者
安徽工业大学 资格教授
先进纳米材料与新型电化学储能。
▍主要研究成果
主要从事纳米材料结构设计与储能机理研究。以第一作者或通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A等期刊发表SCI论文20余篇,其中4篇入选ESI高被引论文。主持国家自然科学基金青年科学基金项目(C类)、安徽省自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、山东省博士后创新计划和青岛市博士后基金等,并担任Adv. Funct. Mater.、J. Energy Chem.等期刊审稿人。
▍Email:jiaded@ahut.edu.cn
谭华
本文通讯作者
济南大学 教授
主要从事先进微纳材料的结构设计与调控及其在水系储能电池、退役电池绿色回收和水系催化电池等领域的应用。
▍主要研究成果
济南大学前沿交叉科学研究院教授、学科带头人,山东省泰山学者青年专家、山东省优秀青年科学基金(海外)获得者。在Adv. Energy Mater.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、Nat. Commun.等期刊发表论文30余篇。主持国家自然科学基金青年科学基金、山东省优秀青年科学基金(海外)、山东省泰山学者青年专家计划及山东省自然科学基金青年项目等。担任Eco-Environment & Health、Energy Lab青年编委。
▍Email:ifc_tanh@ujn.edu.cn
晁栋梁
本文通讯作者
复旦大学 教授
主要从事水系电化学基础与应用研究
▍主要研究成果
复旦大学智能材料与未来能源创新学院教授、博士生导师,水系电池研究中心执行主任,入选国家级和上海市海外高层次人才计划、上海市曙光学者。主要从事水系电化学基础与应用研究,主持国家自然科学基金青年、面上和联合重点项目及国家重点研发计划课题等,发表专著1部、论文150余篇。曾获EES Lectureship、《麻省理工科技评论》科技创新35人、上海市科技青年35人引领计划、科睿唯安高被引科学家(2020-2024年)、中国电化学青年奖、USERN Prize Laureate、澳大利亚研究理事会优秀青年和澳大利亚研究新星等奖项。
▍Email:chaod@fudan.edu.cn
周伟家
本文通讯作者
济南大学 教授
主要从事能源催化和功能器件相关研究
▍主要研究成果
济南大学前沿交叉科学研究院院长、教授、博士生导师、学术带头人,国家优秀青年科学基金获得者。主要从事能源催化和功能器件研究,在氢能源、二氧化碳资源化和催化电池等方面开展工作。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文170余篇。担任《中国化学快报》《物理化学学报》、BMEMat、SusMat青年编委及Interdiscip. Mater.学术编辑。主持国家优秀青年科学基金、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学杰出青年基金及山东省重点研发计划等项目。
▍Email:ifc_zhouwj@ujn.edu.cn
撰稿:原文作者
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