近年來，能源轉型需要人們以更加清潔和可持續的方式發展能源經濟。金屬二次電池因其能量密度高、壽命長等特點在電動汽車和大型可再生能源儲存領域引起廣泛關注。金屬負極（如鋰箔或鋅箔）具有易加工、可批次等優勢，是金屬電池中常用的電極形式。例如金屬鋅箔，由於低成本、高理論容量（820 mAh g-1）而成為水系電池負極研究的熱點。目前，鋅金屬電極存在嚴重的電化學不可逆問題。特別是在大電流密度、高面積容量的嚴苛條件下，鋅金屬電極的體積效應和電極副反應（化學腐蝕和電化學析氫）更加嚴重，限制了其在水系二次電池領域的實際應用。

針對上述問題，華中科技大學的孫永明教授與斯坦福大學崔屹教授等利用簡單的化學置換反應制備三維叉指式金屬鋅/固態電解質電極。獨特的三維叉指結構抑制了電極在電化學迴圈過程中的表觀體積變化；固態電解質隔離了活性鋅金屬與水相電解液，從而抑制副反應；金屬鋅金屬與固態電解質三維叉指複合結構增加了電化學活性表面及載流子傳輸途徑，實現鋅金屬負極高度可逆。

眾所周知，置換反應是化學四大基本反應型別之一，其在金屬晶界或表面缺陷處的反應速率高於體相。利用這一特性，氯化銦與多晶金屬鋅箔的置換反應使金屬銦沉積在鋅箔表面並向體相晶界深處擴散，形成三維叉指式結構。進一步電化學活化後，金屬銦被原位氧化為鹼式硫酸銦固態電解質，形成叉指式金屬鋅/固態電解質鹼式硫酸銦（Zn/IHS）複合電極。研究發現鹼式硫酸銦由無定型超細奈米顆粒組成緻密薄膜，鋅離子可在顆粒表面處傳導。同時，三維叉指式電極結構具有較大的電化學活性比表面。由Zn/IHS電極組裝的對稱電池在20 mA cm-2和20 mAh cm-2測試條件下進行金屬鋅電化學沉積和溶解迴圈測試，過電勢僅為10 mV，優於目前已報道的所有鋅金屬電極。此外，研究人員將Zn/IHS負極與MnO2正極匹配組裝水系全電池，在10C條件下， Zn/IHS||MnO2電池容量可達100 mAh g-1，1000次迴圈容量保持率為93.9%，遠優於傳統鋅金屬電極（相同條件下容量保持率僅為53.6%）。

叉指式金屬（鋅）/固態電解質（鹼式硫酸銦）電極結構與電化學效能

研究者相信，該工作三維叉指式Zn/IHS複合電極的置換反應制備為設計具有高機械穩定性和良好可逆性的水系Zn金屬電極提供了新的視角，為實現先進水系Zn金屬電池提供的新的思路。近日，相關工作以《A Replacement Reaction Enabled Interdigitated Metal/Solid Electrolyte Architecture for Battery Cycling at 20 mA cm-2 and 20 mAh cm-2》為題發表在國際化學頂級期刊Journal of the American Chemical Society上(DOI: 10.1021/jacs.0c11753)。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11753