摘要：随着全球对清洁能源需求的不断增加，水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、环境友好性和丰富的原材料储量，受到越来越多的关注。锌金属具有较高的理论容量和低的氧化还原电位，使其成为一种极具吸引力的储能解决方案。然而，锌负极在充放电循环中的枝晶生长、析氢反应以及显

北京化工大学刘勇教授团队最新研究：氧化锆掺杂三维阳极支架的空间和锚定效应

随着全球对清洁能源需求的不断增加，水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、环境友好性和丰富的原材料储量，受到越来越多的关注。锌金属具有较高的理论容量和低的氧化还原电位，使其成为一种极具吸引力的储能解决方案。然而，锌负极在充放电循环中的枝晶生长、析氢反应以及显著的极化效应，严重限制了其循环稳定性和电池性能。

近日，北京化工大学刘勇教授、吉林大学王策教授和清华大学胡平教授等人通过静电纺丝-热处理的工艺，制备了一种掺杂氧化锆的三维碳纳米纤维支架（ZrO₂-CF），利用氧化锆具有优异的锌亲和性和化学稳定性，与三维碳纳米纤维相结合，不仅能够利用其“空间效应”提供均匀的电场和电流密度分布，还能通过“锚定效应”改善锌离子的沉积行为，研究结果表明，ZrO₂-CF阳极能够有效避免枝晶的生成、缓解电池极化抑制析氢反应，在高电流密度下展现出优异的循环稳定性、库仑效率和锌沉积均匀性，验证了其在提升AZIBs性能方面的潜力。相关研究内容以“Spatial and anchoring effects of zirconia-doped 3D scaffolds for stable zinc anodes”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

图1 图形摘要

图2 光学摄像机下的沉积行为

这种掺杂氧化锆的三维碳纳米纤维支架（ZrO₂-CF）阳极材料的创新设计，成功结合了三维多孔结构的“空间效应”和氧化锆的“锚定效应”，显著提升了锌沉积的均匀性并抑制了枝晶生长和副反应。研究系统阐明了这两种关键机制如何通过优化电场和电流密度分布以及增强锌离子的选择性沉积，从根本上解决了锌枝晶、析氢反应和极化效应等关键挑战，并在高电流密度下实现了超过1000次循环的稳定运行，同时展现了98.6%的高库仑效率。该研究不仅为AZIBs的阳极材料开发提供了新的思路，还为下一代高性能、低成本储能技术的商业化应用奠定了理论基础和技术支持。

通讯作者简介：

刘勇，教授，博导。主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、塑料产品配方及工艺开发、特种功能纤维成型、静电纺丝制备超细纤维、燃料电池和太阳能电池器件制备、纳米纤维构筑生物医学器件等方面均有研究。迄今发表期刊文章210多篇，出版中文专著1部，英文专著2部，译著3部，著作章节2章，获授权专利66项，其中转让9项。Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)和Polymers (IF 5.0)两期刊的特刊主编，40多种中外期刊审稿人。获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明一等奖1项二等奖3项、专利优秀奖2项等，全国石油和化工行业优秀科技工作者。

来源：紫薯宝宝爱科学