水系鋅電池具有高安全性、低成本和提供與堿離子電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏鹊臐摿?。然而，其實際應(yīng)用在很大程度上受到在高放電深度（DOD）和高電流密度條件下與鋅負(fù)極相關(guān)的有限循環(huán)壽命的阻礙。

在此，美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）李曉林研究員、Matthew Fayette等人報道了電沉積合成的氧化鋁-鋅（AlZn）和銦-鋅合金（InZn）負(fù)極，二者均顯示出對鋅枝晶形成的增強耐受性。水系鋅電池的“理想”負(fù)極需要滿足以下要求：

（1）減少鋅枝晶形成/良好的循環(huán)性能，

（2）增強鋅對腐蝕/放氣的耐受性，

（3）使用地球上豐富的元素，

（4）具有經(jīng)濟/可擴展方法的出色可制造性。Al和In金屬不僅相當(dāng)豐富以確保相對較低的成本，而且還具有相對較低的交換電流密度和較高的析氫反應(yīng)過電位，如果與Zn結(jié)合，則可以實現(xiàn)對放氣/腐蝕的高耐受性。在寬In濃度范圍內(nèi)篩選后，作者發(fā)現(xiàn)具有~8-15% In的InZn負(fù)極表現(xiàn)出～5-25 mV的低極化，并在10 mA cm^-2的電流密度和5 mAh cm^-2的高容量（對應(yīng)于45%的DOD）下表現(xiàn)出700次循環(huán)的長壽命。

圖1. “理想”負(fù)極屬性的蜘蛛圖

作為概念驗證，作者基于InZn負(fù)極和DTT正極組裝了全電池。電化學(xué)測試表明，在2 M ZnSO₄中提供了~110 mAh g^-1的容量和超過40個循環(huán)的良好穩(wěn)定性。此外，InZn合金表現(xiàn)出比AlZn更好的枝晶抑制和電化學(xué)性能，這主要是由于受控的In摻雜能夠在脫合金過程中形成獨特的多孔結(jié)構(gòu)。富In表面的氧化自發(fā)地穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)，而通過電沉積形成的Al₂O₃/Zn復(fù)合材料不能達到臨界/足夠高的濃度以形成多孔結(jié)構(gòu)。

雖然Al比In更便宜且更豐富，但實現(xiàn)獨特的層狀納米結(jié)構(gòu)所需的高溫合成（＞600℃）是耗能的，并且抵消了低材料成本。氧化銦也比Al₂O₃更導(dǎo)電且機理更有利，這也是商業(yè)Zn顆粒使用In作為摻雜劑的原因?？傊@項工作揭示了鋅基負(fù)極在實際電池應(yīng)用中的合理設(shè)計，并為水系鋅電池的未來發(fā)展打開了大門。

圖2. InZn//DTT全電池的電化學(xué)性能

High-Performance InZn Alloy Anodes toward Practical Aqueous Zinc Batteries, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00843