锌枝晶——锌基液流电池的“一生之敌”

锌基液流电池因其高能量密度、低成本和高安全性在大规模储能领域备受关注，但锌枝晶问题严重制约其发展。

一、锌枝晶产生的原因

1. 沉积不均匀性

锌在充放电过程中发生电化学沉积时，由于电极表面局部电场分布不均或离子通量差异，导致锌优先在特定区域成核并生长，形成枝晶结构。

2. 离子传输限制

电解液中锌离子在负极表面的扩散速率与沉积速率不匹配，导致局部浓度梯度加剧，进一步促进枝晶生长。

3. 负极材料特性

锌负极的高活性使其在反复沉积/剥离过程中易发生体积变化，导致电极表面粗糙化，为枝晶提供成核位点。

4. 电解液组成影响

电解液中氯离子等杂质可能加速副反应（如析氢反应），破坏锌沉积的均匀性。

二、锌枝晶的危害

锌枝晶的产生影响因素颇多，过程复杂，其尖锐和杂乱的特性，给电池的稳定运行带来了不小的挑战。

1. 电池短路风险

枝晶生长可能刺穿隔膜，导致正负极直接接触，引发短路甚至热失控。

2. 循环寿命降低

枝晶脱落形成“死锌”，导致活性物质不可逆损失，电池容量衰减加速。

3. 效率与安全性下降

枝晶增加电池极化内阻，降低能量效率；同时副反应增多（如析氢），影响电解液稳定性。

三、抑制锌枝晶的研究思路

针对锌枝晶带来的问题，研究人员从不同的方面，提出了各自独特的解决方案，以下针对其中具有代表性的方案，进行简单陈述。

1. 隔膜与电解液优化

自修复隔膜设计

采用聚烯烃多孔膜或沸石分子筛复合膜，利用膜孔内氧化态电解液（如碘三离子）溶解穿透的锌枝晶，实现短路后自恢复。

离子选择性膜

例如原位生长层状双氢氧化物（LDH）膜，通过定向离子传输和均匀电场分布抑制枝晶生长，同时提高膜的抗刺穿能力。

电解液配方调整

降低氯离子含量并添加枝晶抑制剂（如聚环氧乙烷），减少副反应并优化锌沉积行为。

2. 电极材料改性

表面涂层技术

在锌负极表面涂覆镓基液态金属或合金层，利用液态金属的流动性均匀电场分布，抑制枝晶成核。

复合电极结构

使用Cu-Zn-ZIF-8复合碳纤维材料，通过高结合能位点促进锌均匀成核，减少局部堆积。

3. 电化学调控

优化充放电策略（如脉冲充电），避免高电流密度下锌过快沉积导致枝晶生成。

4. 新型电池设计

采用流动电解液设计，通过流体动力学冲刷电极表面，减少锌沉积的局部聚集。

针对锌基液流电池，当前研究通过多维度策略（隔膜优化、电极改性、电解液调控）显著缓解了锌枝晶问题。例如，中科院大连化物所开发的聚烯烃多孔膜结合自修复电解液技术，已实现千瓦级电堆在80 mA/cm²下稳定运行300次循环。未来需进一步探索低成本、高可靠性的规模化技术，如开发新型纳米复合膜或全固态电解质，以推动锌基液流电池的商业化应用。