【研究背景】
开发安全环保的二次电池体系，是下一代电化学储能技术迭代升级的核心命题。在众多候选体系中，水系锌金属电池（ZMBs）依托高安全性、环境友好性、资源丰度及低成本等突出优势，已成为规模化储能领域极具应用潜力的电化学储能技术方向。近年来，实验室尺度的ZMBs研究已取得显著进展，但要推动其从“mAh级”向“Ah级”应用跨越，仍需突破关键技术鸿沟，这亦是当前电化学储能领域面临的核心瓶颈。核心挑战主要集中在三个方面，其一，锌负极在深度放电工况下，枝晶生长行为加剧且析氢副反应显著，严重制约电池的循环稳定性。其二，高载量厚电极（载量≥20 mg/cm2）面临离子/电子传输动力学受限的难题，导致活性物质利用率偏低。其三，适配Ah级容量需求的规模化制备工艺及电池构型设计尚不成熟，使得实验室尺度的优异电化学性能难以在实际应用场景中有效复现。
【工作简介】
中南大学周江教授等人以“Advanced Ah-level zinc metal batteries”为题，在国际顶级综述期刊Chemical Society Reviews上发表论文。本文第一作者为中南大学赵泽泉老师。该工作系统厘清了Ah级锌金属电池迈向市场化应用过程中的核心技术瓶颈与关键科学问题，率先提出构建一套全面的框架，致力于弥合实验室原型器件与市场化实用产品之间的性能鸿沟及技术壁垒，为未来安全可靠、低成本且可持续的大规模电化学储能技术研发与工程化应用提供重要的指导。
【图文导读】
图1. ZMBs研究现状、性能范围、类型占比及 Ah 级应用潜力
如图1所示，近年来安时（Ah）级锌金属电池（ZMBs）的相关研究关注度呈持续攀升态势，已成为推动该技术从实验室走向产业化的核心研究方向。开发高能量密度、长循环寿命的ZMBs是未来该领域的核心发展目标。然而，当前约80 %的相关研究仍以纽扣电池为主要研究载体，与实用化场景所需的软包/圆柱电池体系之间仍存在显著技术鸿沟。
图2. 锌阳极枝晶生长、形貌变化、阴极材料溶解及厚电极配置难题
图2阐明了安时级锌金属电池在高深度放电工况下的关键失效机制。在负极侧，高电流密度与高放电深度的协同作用显著加剧锌枝晶的三维生长与析氢反应，引发局部电流密度激增及锌离子分布不均，最终导致锌利用率与能量密度同步下降。对于正极，厚电极在高面容量工况下，受离子传输限制与孔隙密实化的影响，导致活性物质利用率降低、过电位升高及容量快速衰减；此外，电解液中酸性质子的积累会进一步加剧电极材料的溶解。
图3. Ah级ZMBs在增加质量负载和反应面积时遇到的挑战
图3系统阐明了安时级锌金属电池在电极规模化制备过程中面临的核心挑战。为实现高容量输出，电极需同步提升活性物质负载量与反应面积，然而这一需求引发了多重技术瓶颈。在高面载量条件下，传统集流体与活性材料间的结合力较弱，厚电极内部易出现离子与电子传输受阻问题，且循环过程中界面应力持续累积，最终导致电池容量衰减与综合性能下降。对于大面积电极而言，导电剂与粘结剂的分布不均易形成局部化导电网络，进而产生大量电化学惰性区域；加之电极材料本征导电性欠佳，且电极在循环过程中易发生断裂与分层现象，最终导致电池实际容量远低于理论值，严重限制了电池的整体能量密度与倍率性能。
图4. 面积容量、锌箔厚度、N/P比、E/C比与Ah 级 ZMBs 性能及退化机制的关联分析
图4系统阐明了安时级锌金属电池在实际构型中关键参数设计的核心平衡难题：N/P 比（负极/正极容量比）与E/C比（电解液/活性物质质量比）的合理匹配，共同决定了电池的能量密度与循环稳定性。过高的N/P比会造成锌负极过量，不仅增加电池无效质量，还会显著降低其能量密度；而过低的N/P比则会加剧锌枝晶生长与腐蚀，同时迫使正极在深度放电过程中面临体积变化、锰溶解等问题，进而加速电池容量衰减。对于E/C比而言，过高易引发电解液相关副反应与电极材料剥离；过低则会限制离子传输效率，导致电池实际容量仅为理论值的60 %~70 %。
图5. 锌阳极界面调控与沉积优化策略
图5系统阐明了安时级锌金属电池中，锌负极面向高深度放电条件的体相结构优化策略，涵盖晶面调控、锌粉负极构建、无阳极架构设计及贫锌化优化等多元技术路径。例如，通过调控锌箔晶面取向、构建锌粉均匀沉积位点、设计晶格匹配型集流体以实现锌的外延沉积，可有效抑制枝晶生长并提升锌负极的循环可逆性。而贫锌化设计通过降低锌载量、结合三维多孔基底构建与亲锌位点调控，在保障高锌利用率的前提下，有效适配低 N/P 比电池构型需求，为安时级锌金属电池在高深度放电工况下的长效稳定运行奠定了关键材料基础。
图6. ZMBs阴极材料对比、MnO2在不同pH体系中的反应机理及Ah级扩展修饰策略
图6系统阐明了安时级锌金属电池正极材料的核心选择标准与多维度修饰策略，明确锰基材料凭借成本低廉与电压平台优异的双重优势，成为该体系的优选正极材料，但其实际应用仍面临比容量与结构稳定性难以兼顾的核心难题。针对高载量厚电极中普遍存在的离子迁移受限、活性位点利用率低及循环过程中结构坍塌等关键问题，提出通过晶体工程调控（如预嵌支撑离子、引入氧空位），既扩展材料层间距以加速离子迁移，又增强电子传导效率；同时结合导电网络构建与分级孔道结构设计，进一步优化电极内部电荷传输路径。此外，通过表面包覆改性与原位构建阴极电解质界面（CEI）层，可有效抑制锰离子溶解，最终实现材料在深放电工况下循环稳定性与高倍率性能的协同提升。
图7. 电解质添加剂机制、凝胶电解质对Zn2+转运调控及隔膜结构修饰
图7系统阐明了安时级锌金属电池中电解质与隔膜协同调控Zn2+通量均匀性的核心策略。在电解质调控方面，通过引入功能添加剂，借助静电屏蔽、吸附作用、原位构建SEI层、抑制水活性及调控电极表面织构等多重机制，可有效引导Zn2+均匀沉积；而凝胶电解质则依托交联聚合物框架实现电解液的稳定固定，同时降低离子扩散能垒，此外通过原位聚合工艺还能优化其与大面积电极的界面相容性，有效缓解电解液浓度梯度效应。在隔膜改性方面，针对传统玻璃纤维隔膜孔径分布无序、机械性能薄弱等问题，采用MOFs（金属有机框架）、氮掺杂氧化石墨烯等功能材料进行表面修饰，既能构建有序Zn2+传输通道，又能显著提升隔膜的结构稳定性，最终协同抑制锌枝晶生长及各类副反应的发生。
图8. Ah级ZMBs电极制备的设计策略概述
图8系统阐明了安时级锌金属电池实现高载量厚电极制备的关键技术路径。干法电极技术通过使粘结剂纤维化形成三维网络结构，有效规避组分偏析问题，可制备出厚度超500 μm的无裂纹高致密厚电极。材料层面，采用分级微球组装策略可显著提升电极振实密度，而支化粘结剂借助强氢键网络作用，能够有效强化电极结构完整性。结构设计层面，通过采用3D多孔集流体与梯度孔隙/粒径设计，可平衡电极内部离子与电子传输效率；同时利用干法一步热压工艺实现层间紧密键合，规避了传统湿法多层涂布工艺易引发的界面分离问题。此外，通过石墨烯与碳纳米管等材料构建混合导电体系，可进一步优化电极内部电荷传输网络，最终为安时（Ah）级锌金属电池提供了兼具高活性物质载量、优异传输动力学性能与结构稳定性的高性能电极解决方案。
图9. Ah级ZMBs大活性反应面积设计策略
图9系统阐明了安时级锌金属电池构型设计的关键策略与适配原则。通过卷绕与层压两类核心工艺，可有效拓展电极反应面积并提升电池整体容量。其中，菱形引脚卷绕结构可使薄电极（<100 μm）获得均匀应力分布，保障循环过程中的结构稳定性；热复合层压技术则通过减少电极切割次数、强化层间结合力，更适配厚电极与贫电解质体系的实际应用需求。在构型选型方面，对于中性电解液体系（如Zn-MnO2电池），采用密封型层压或卷绕构型可有效提升体积能量密度；而酸性体系（如Zn-Mn、Zn-I2电池）则需采用富液流动型构型，以针对性缓解电解液中H+积累与I3-穿梭等关键问题，保障电池长效稳定运行。
图10. 未来Ah级ZMBs研究展望
为破解上述核心瓶颈，该工作从材料改性、电极制备、电池结构三大维度构建协同创新路径。材料层面，强调活性物质与粘结剂的结构-性能协同设计，并引入AI辅助设计策略，通过机器学习算法快速筛选高效添加剂、优化界面层组成及电极关键参数；电极制备层面，聚焦干法制备工艺、3D多孔集流体与梯度化结构的一体化整合，同步提升电极载量与传输效率；电池结构层面，需针对性开发卷绕-层压混合构型，实现对不同复杂化学体系的高效适配。
【总结与展望】
该综述系统梳理并总结了推动安时（Ah）级锌金属电池（ZMBs）走向实际应用的核心技术策略，明确了支撑其产业化发展的三大关键方向：其一为材料工程优化，通过晶体取向调控、复合界面构建等策略提升锌负极循环稳定性，借助预嵌入改性、缺陷工程设计等手段增强正极结构耐久性与离子传输效率；其二为无溶剂干法制备技术创新，依托该技术耦合层级导电网络构建与3D多孔集流体应用，同步实现高载量电极制备与高效电荷传输通道构建；其三为电池构型精准设计，聚焦构型创新，借助先进卷绕/层压工艺及化学体系适配性结构设计，实现电化学动力学性能与机械结构完整性的协同兼顾。未来需进一步融合上述三大核心策略，重点推进多功能界面集成技术、智能电解液精准调控及规模化制造方案的研发与落地，通过材料、结构与工艺的跨维度协同突破，助力安时级 ZMBs向高性能、长寿命、低成本商业化方向稳步推进。
原标题：《【复材资讯】中南大学周江教授Chem. Soc. Rev.顶刊综述：安时级锌金属电池设计策略》