李晓林ACS Energy Lett.: 用于实用水系锌电池的高性能InZn合金负极

水系锌电池具有高安全性、低成本和提供与碱离子电池相当的能量密度的潜力。然而，其实际应用在很大程度上受到在高放电深度（DOD）和高电流密度条件下与锌负极相关的有限循环寿命的阻碍。

在此，美国西北太平洋国家实验室（PNNL）李晓林研究员、Matthew Fayette等人报道了电沉积合成的氧化铝-锌（AlZn）和铟-锌合金（InZn）负极，二者均显示出对锌枝晶形成的增强耐受性。水系锌电池的“理想”负极需要满足以下要求：

（1）减少锌枝晶形成/良好的循环性能，

（2）增强锌对腐蚀/放气的耐受性，

（3）使用地球上丰富的元素，

（4）具有经济/可扩展方法的出色可制造性。Al和In金属不仅相当丰富以确保相对较低的成本，而且还具有相对较低的交换电流密度和较高的析氢反应过电位，如果与Zn结合，则可以实现对放气/腐蚀的高耐受性。在宽In浓度范围内筛选后，作者发现具有~8-15% In的InZn负极表现出∼5-25 mV的低极化，并在10 mA cm^-2的电流密度和5 mAh cm^-2的高容量（对应于45%的DOD）下表现出700次循环的长寿命。

图1. “理想”负极属性的蜘蛛图

作为概念验证，作者基于InZn负极和DTT正极组装了全电池。电化学测试表明，在2 M ZnSO₄中提供了~110 mAh g^-1的容量和超过40个循环的良好稳定性。此外，InZn合金表现出比AlZn更好的枝晶抑制和电化学性能，这主要是由于受控的In掺杂能够在脱合金过程中形成独特的多孔结构。富In表面的氧化自发地稳定了结构，而通过电沉积形成的Al₂O₃/Zn复合材料不能达到临界/足够高的浓度以形成多孔结构。

虽然Al比In更便宜且更丰富，但实现独特的层状纳米结构所需的高温合成（＞600℃）是耗能的，并且抵消了低材料成本。氧化铟也比Al₂O₃更导电且机理更有利，这也是商业Zn颗粒使用In作为掺杂剂的原因。总之，这项工作揭示了锌基负极在实际电池应用中的合理设计，并为水系锌电池的未来发展打开了大门。

图2. InZn//DTT全电池的电化学性能

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