本文介绍了一项关于水系锌离子电池（Aqueous Zinc-Ion Batteries, AZIBs）阳极材料的研究，该研究由Shiwen Wang、Huaiyang Zheng、Junwei Ding、Shide Wu和Shaoming Fang等作者共同完成，发表在2021年12月14日的《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。研究团队来自郑州轻工业大学的河南省表面与化学工程重点实验室。该研究旨在解决锌阳极在水系锌离子电池中面临的锌枝晶、析氢反应、钝化反应和结构不稳定性等问题，提出了一种新型的同轴锌-锡（Zn-Sn）垂直阵列阳极结构，显著提升了电池的电流密度和容量。
水系锌离子电池因其高理论容量（820 mAh/g）和低成本而备受关注，但其锌阳极在实际应用中面临诸多挑战，如锌枝晶的生长、析氢反应、钝化反应以及结构不稳定等。这些问题限制了电池在高电流密度和高容量下的性能表现。尽管已有多种策略被提出以改善锌阳极的性能，如表面修饰、电解质添加剂、导电基底构建等，但这些方法往往只能部分解决问题，无法实现超高电流密度和容量（如>50 mA/cm²和50 mAh/cm²）。因此，开发一种能够同时抑制所有锌阳极问题的策略具有重要意义。
研究团队提出了一种新型的同轴锌-锡垂直阵列阳极结构，通过简单的滚压-卷绕法制备。具体步骤如下： 1. 材料制备：首先，将原始锌箔和锡箔通过滚压机逐步减薄至约20微米，然后切割成宽度为1000微米的条带。最后，通过卷绕机制备出同轴锌-锡垂直阵列阳极，其直径约为7-8毫米，厚度约为1毫米。 2. 结构表征：使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）等技术对阳极的形貌和结构进行表征，确认了锌和锡箔的垂直排列结构。 3. 电化学测试：组装了基于Zn-Sn垂直阵列阳极的对称电池和全电池，并进行了电化学性能测试。测试包括循环伏安法（CV）、恒流充放电测试等，评估了电池在不同电流密度和容量下的性能表现。
研究结果表明，Zn-Sn垂直阵列阳极在超高电流密度和容量下表现出优异的性能： 1. 对称电池性能：在40 mA/cm²和40 mAh/cm²的条件下，Zn-Sn垂直阵列阳极的对称电池能够稳定工作1000小时。在80 mA/cm²和80 mAh/cm²的条件下，电池能够稳定工作300小时（150个循环），远超此前报道的所有水系锌阳极。 2. 全电池性能：与隧道型二氧化钒（VO2(B)）阴极匹配的全电池表现出高放电容量（240 mAh/g）、优异的倍率性能（20 A/g下121 mAh/g）和长循环稳定性（1000次循环后容量保持率为85%）。 3. 机理分析：锡（Sn）在Zn-Sn垂直阵列中起到了均匀化锌离子分布和电场、增强电子传输、调节锌成核和生长的作用。此外，锡箔作为有效的锚定点，稳定了锌阳极的结构，并形成了三维电子扩散网络。
该研究成功构建了一种新型的同轴锌-锡垂直阵列阳极结构，显著提升了水系锌离子电池的电流密度和容量。Zn-Sn垂直阵列阳极在超高电流密度和容量下表现出优异的电化学性能，为开发其他类型的金属阳极提供了新的策略。该研究不仅具有重要的科学价值，还为水系锌离子电池的实际应用提供了新的可能性。
该研究为水系锌离子电池的阳极材料设计提供了新的思路，显著提升了电池的性能表现。通过结合锡的独特化学性质和三维垂直阵列结构，成功解决了锌阳极在高电流密度和高容量下的诸多问题。这一成果不仅推动了水系锌离子电池的发展，还为其他类型的金属阳极设计提供了参考。