本文介绍了一项关于锌金属阳极在水系电池中应用的研究，该研究由Ruifang Xue、Jingyi Kong、Ying Wu、Yangyang Wang、Xiangyi Kong、Min Gong、Liang Zhang、Xiang Lin和Dongrui Wang等作者共同完成，并于2022年3月25日发表在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。研究的主要机构包括北京科技大学化学与化学生物工程系以及北京生物工程与传感技术重点实验室。该研究得到了中国国家自然科学基金的资助（项目编号：52073026和U20A20264）。
锌金属阳极因其低氧化还原电位（-0.76 V vs. 标准氢电极，SHE）、高理论比容量（820 mAh/g）、资源丰富、价格低廉等特性，被认为是下一代高安全性储能设备的有力候选者。然而，锌金属在长期电化学充放电循环中的可逆性受到枝晶生长、氢气析出以及“死锌”形成的严重限制。这些问题导致锌阳极在实际应用中表现不佳，通常需要使用过量的锌箔，从而降低了电池的能量密度。因此，本研究旨在通过开发一种三维银（Ag）网格作为锌金属阳极的宿主，提升锌阳极的可逆性和循环稳定性。
研究的主要方法是通过使用三维银网格作为锌金属阳极的宿主，利用银与锌的自发合金化反应，改善锌的沉积和剥离行为。具体流程如下：
材料制备与表征：研究使用了不同网孔密度的商用银网格（#180、#100和#30）作为三维电流收集器，并与铜泡沫和碳布（CC）作为对照组进行比较。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对材料进行了表征。
电化学性能测试：研究通过非对称半电池测试了锌在银网格上的沉积和剥离行为。测试中使用了2 M ZnSO₄水溶液作为电解液，锌箔作为对电极和参比电极。通过恒电流充放电测试，评估了锌阳极的库仑效率（CE）和循环寿命。
合金化反应研究：研究发现，在电镀和剥离循环过程中，银网格表面会自发形成Ag-Zn和Ag-Zn₃合金。这些合金的形成有助于均匀的锌沉积，并显著抑制了氢气析出反应（HER）。
全电池测试：研究进一步将锌@银网格阳极与LiFePO₄（LFP）阴极配对，组装成混合离子水系电池，测试了其电化学性能。
锌沉积与剥离性能：研究发现，使用银网格作为宿主时，锌阳极表现出极高的可逆性。在5 mA/cm²的电流密度和1 mAh/cm²的容量下，非对称电池的库仑效率达到了99.5%，并且能够稳定循环超过2000次。相比之下，使用碳布和铜泡沫作为宿主的电池表现较差，库仑效率较低且循环寿命较短。
合金化反应的影响：通过XRD和SEM分析，研究证实了银网格表面形成了Ag-Zn和Ag-Zn₃合金。这些合金的形成显著降低了锌沉积的成核过电位，并抑制了氢气析出反应，从而提高了锌阳极的循环稳定性。
全电池性能：将锌@银网格阳极与LiFePO₄阴极配对的全电池表现出优异的循环稳定性。在0.5 mA/cm²的电流密度下，电池在100次循环后仍保持了88 mAh/g的比容量，显示出良好的容量保持率。
本研究通过使用三维银网格作为锌金属阳极的宿主，成功实现了高效率和枝晶抑制的锌沉积与剥离。银网格表面的自发合金化反应显著改善了锌阳极的电化学性能，抑制了氢气析出和腐蚀反应。研究结果表明，这种策略能够显著提升锌阳极的循环稳定性和可逆性，为未来开发实用的水系锌基电池提供了新的思路。
研究还探讨了不同电流密度和容量对锌阳极性能的影响，发现较高的电流密度和较低的容量能够进一步提升锌阳极的循环寿命。此外，研究通过线性扫描伏安法（LSV）和塔菲尔曲线（Tafel plots）分析了银网格表面的电化学行为，进一步验证了合金化反应对抑制氢气析出和腐蚀的积极作用。
总的来说，本研究为水系锌基电池的开发提供了重要的实验依据和理论支持，具有较高的科学价值和应用前景。