李保元，邱棟陽，趙傳熙，袁斌根，苗 鶴

(寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波 315832)

0 前 言

化石燃料的逐漸枯竭與環(huán)境危機(jī)的加劇,極大地推動了低成本和高安全性儲能技術(shù)的開發(fā)[1]。近年來,鋅基電池得到廣泛關(guān)注,這是由于金屬鋅具有電化學(xué)活性高、資源豐富、毒性低等優(yōu)點(diǎn),并且其價格與堿金屬(如Li、Na和K)[2,3]相比具有較大的競爭力。更重要的是,鋅金屬具有較低的氧化還原電位(-0.76 V相對于SHE),較高的理論質(zhì)量比容量(820 mA·h/g)和體積比容量(5 855 mA·h/cm3)[4]。在各類鋅基電池中,堿性鋅電池(電解液采用堿性水溶液)具有電池容量大、比能量高、動力學(xué)性能好、放電曲線平穩(wěn)、自放電低、儲存性能好、安全性高、環(huán)保無污染等一系列優(yōu)點(diǎn),在便攜式移動設(shè)備與各類大中型儲能系統(tǒng)中均具有良好的應(yīng)用前景[5]。

1 堿性鋅電池負(fù)極的工作原理與存在的問題

1.1 堿性鋅電極的工作原理

堿性鋅電池在充放電過程中發(fā)生鋅的沉積和溶解。在放電過程中,鋅金屬逐漸溶解,并與堿性溶液中的氫氧根離子結(jié)合形成Zn(OH)42-,當(dāng)其濃度達(dá)到飽和值時,Zn(OH)42-進(jìn)一步形成ZnO,并在堿性溶液中沉淀。在充電期間,Zn(OH)42-和ZnO在負(fù)電極表面上還原形成鋅[6]。其反應(yīng)機(jī)理如下:

在放電過程中,鋅溶出的反應(yīng)為[7]:

Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e

(1)

Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-

(2)

在充電過程中,鋅沉積的反應(yīng)為[8]:

Zn(OH)42-+2e→Zn+4OH-

(3)

ZnO+H2O+2e→Zn+2OH-

(4)

1.2 鋅電極存在的問題

鋅電極的基本工作原理主要是基于Zn/Zn2+電化學(xué)氧化還原反應(yīng),在反應(yīng)過程中,鋅金屬和電解液會發(fā)生3個副反應(yīng):析氫腐蝕、表面鈍化和不可控的枝晶生長,如圖1所示[9]。鋅負(fù)極的副反應(yīng)導(dǎo)致庫侖效率降低和充放電循環(huán)性能變差,嚴(yán)重降低了堿性鋅基電池的性能。因而,鋅負(fù)極的優(yōu)化對于開發(fā)高容量、長壽命、倍率性能好的堿性鋅電池具有重要意義[10]。可采用析氫體積測量、表面形貌觀察、極化電阻測試等方法來表征鋅電極的析氫腐蝕、表面鈍化與枝晶生長[11]。下面將討論鋅在堿性電解液中可能發(fā)生的副反應(yīng)及其相關(guān)的機(jī)制。

1.2.1 析氫腐蝕

金屬鋅在堿性電解液中的熱力學(xué)是不穩(wěn)定的,能夠發(fā)生自溶解反應(yīng)而釋放出氫氣,如式(5)[6];其次,鋅的腐蝕電勢比析氫反應(yīng)(HER)更負(fù)[Zn/ZnO在堿液中的標(biāo)準(zhǔn)還原電位為-1.26 V(vs SHE),低于析氫反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位 -0.83 V(vs SHE)][12],可發(fā)生鋅置換氫的反應(yīng)。因此在堿性電解液中,會發(fā)生由鋅的陰極析氫反應(yīng)[式(6)]和陽極鋅氧化反應(yīng)[式(1)]構(gòu)成的一對共軛反應(yīng)[13],反應(yīng)方程式如下:

鋅的自溶解反應(yīng):

Zn+2KOH→K2ZnO2+H2↑

(5)

陰極析氫反應(yīng):

2H2O+2e→H2↑+2OH-

(6)

總反應(yīng):

Zn+2OH-+2H2O→Zn(OH)42-+H2↑

(7)

氫析出反應(yīng)消耗鋅,導(dǎo)致電池容量衰減。此外,積聚的氫氣對電池封裝有害,造成電解液泄漏[14],影響電池的儲存性能。

1.2.2 表面鈍化

表面鈍化是堿性鋅電池面臨的另一挑戰(zhàn)。在放電過程中,鋅電極的放電產(chǎn)物Zn(OH)42-達(dá)到其溶解度極限時[式(1)],生成絕緣ZnO膜沉淀在電極表面上[式(2)],導(dǎo)致表面積衰減和活性材料損失[15],阻礙放電產(chǎn)物Zn(OH)42-和OH-的遷移,鋅電極的歐姆極化及濃差極化增大,電池內(nèi)阻增加[6],放電期間的電壓損失和充電期間的電壓增加,極大地影響電池的倍率性能和循環(huán)壽命。導(dǎo)致鋅電極鈍化的關(guān)鍵因素是鋅電極表面反應(yīng)產(chǎn)物[Zn(OH)42-]的濃度。因此,調(diào)控反應(yīng)產(chǎn)物的表面濃度可以抑制鋅電極鈍化。

1.2.3 枝晶生長

鋅枝晶主要在堿性鋅電池的充放電循環(huán)過程中形成。在充電過程中,Zn(OH)42-被還原為金屬鋅[式(3)],這是由Zn(OH)42-在鋅陽極表面的傳輸所控制[16]。由于鋅表面在微觀水平上是不光滑的,這些突起處具有較高的局部電流密度,Zn(OH)42-更有可能遷移到這些地方形成樹枝狀尖端,這些突起充當(dāng)鋅枝晶的成核位點(diǎn)。隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行,枝晶逐漸生長,這可能導(dǎo)致電池電化學(xué)性能衰減甚至短路,降低循環(huán)壽命甚至造成安全事故。研究發(fā)現(xiàn),鋅枝晶的形成主要受Zn(OH)42-和OH-的濃度、電解液的傳質(zhì)過程以及充放電過程中的電流密度分布控制[17]。

2 堿性鋅電池鋅電極的改性策略

2.1 添加劑

添加劑是解決鋅電極析氫和自腐蝕的主要策略之一。在鋅電極的電解液中加入一定的添加劑是改善鋅電極性能的一種簡便有效的方法。這些添加劑一般對鋅沉積的晶體生長、形貌和結(jié)構(gòu)有重要影響[18]。金屬汞是抑制鋅電極自腐蝕和析氫的有效添加劑,但由于其高毒性和環(huán)境問題,在包括電池在內(nèi)的許多產(chǎn)品中被禁止使用[19]。因此,亟需尋找一種既能取代汞解決鋅負(fù)極的自腐蝕問題,又不影響電池性能和環(huán)境的添加劑。從目前的研究現(xiàn)狀來看,堿性鋅電池的添加劑可分為電極添加劑和電解液添加劑。

2.1.1 電極添加劑

金屬改性鋅電極通過提高析氫過電位和抑制鋅的溶解來起到緩蝕作用[20]。在鋅電極中添加重金屬元素Sb、Bi、In、Pb等,可以提高鋅的析氫過電位,抑制鋅的腐蝕[21]。Zhao等[22]在鋅電極中引入Sb后,使腐蝕電位正向偏移及析氫過電位增大,從而提高了鋅電極的抗腐蝕能力,抑制H2的析出。將引入Sb的鋅電極與Ni(OH)2組裝成Ni-Zn電池,其在超過2 000次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,且無鋅枝晶產(chǎn)生[23]。

鋅電極表面改性主要包含金屬氧化物及其氫氧化物等,由于物理混合導(dǎo)致添加劑在鋅電極的分散性差,采用化學(xué)摻雜的方法可以解決這一問題。Zeng等[24]通過共沉淀法將2.5%的In2O3摻雜到ZnO中(簡稱IZO),結(jié)果表明,與ZnO相比,IZO具有更高的鋅利用率和更穩(wěn)定的循環(huán)壽命。Mcbreen等[25]研究表明,添加PbO和Ti2O3可提高鋅沉積的過電位,緩解鋅電極的形變,減少鋅枝晶的生長,同時添加PbO和Ti2O3會加速鋅電極的陽極溶解反應(yīng),抑制鋅電極鈍化。

此外,電極結(jié)構(gòu)添加劑如乙炔黑、石墨、活性炭、炭黑、氧化石墨烯等被廣泛應(yīng)用于鋅電極中,以降低鋅電極的電阻,避免鈍化,提高鋅的利用率[26-28]。碳納米纖維與炭黑結(jié)合使用,不僅可以充當(dāng)導(dǎo)電介質(zhì)來增強(qiáng)導(dǎo)電性,而且還為柔性鋅空氣電池中的鋅電極提供機(jī)械穩(wěn)定性[29]。Masri等[30]在多孔鋅電極中添加Super,并研究了鋅空氣電池在6 mmol/L KOH電解液中的性能,結(jié)果表明,添加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Super P可將鋅電極的利用率從68%提高到95%,其放電比容量為776 mA·h/g,功率密度為20 mW/cm2,開路電壓保持在1.4 V時,電池也表現(xiàn)出良好的耐久性和穩(wěn)定性,這是由Super P粉末在鋅粉之間的橋接作用所引起的(圖2)。

圖2 含Super P鋅電極的透射電鏡圖及其微觀結(jié)構(gòu)示意[30]Fig. 2 TEM image and schematic of the microstructures of zinc electrode containing Super P[30]

2.1.2 電解液添加劑

電解液添加劑分為無機(jī)添加劑和有機(jī)添加劑。電解液無機(jī)添加劑包括金屬鹽、氧化物和氫氧化物以及有機(jī)鹽。在電解液中加入析氫過電位高的金屬離子,如Pb2+、Sn2+、In3+、Bi3+等,在充電過程中負(fù)極優(yōu)先沉積這些比鋅還原電位更高的金屬,可以有效抑制析氫反應(yīng)[31]。各種無機(jī)添加劑,如LiF、KF、SnO、CdO、In2O、BiCl3、K3BO3、Li3BO3和硅酸鹽離子等也被用于抑制鋅枝晶生長[32]。Yao等[33]將BiCl3作為電解液添加劑,發(fā)現(xiàn)在η= -100,-200 mV的電極過電位下,Bi3+添加可以抑制鋅電極枝晶在堿性電解液中的形成。除此之外,Kim等[34]通過向堿性溶液中添加SnO,也有效地抑制了鋅電沉積的樹枝狀生長。隨著電解液中SnO濃度的增加,鋅電極上的枝晶一定程度上減少。

電解液有機(jī)添加劑大多為表面活性劑,通過在電極表面的吸附作用,阻礙鋅與電解液直接接觸來抑制鋅的腐蝕[38]。有機(jī)添加劑的一端是極性基團(tuán),另一端是非極性基團(tuán),極性基團(tuán)的作用是吸附于金屬表面,改變了表面雙電層的結(jié)構(gòu),提高了金屬離子化過程的活化能;而非極性基團(tuán)遠(yuǎn)離金屬表面作定向排布,形成一層疏水性的薄膜,從而阻止或減少了OH-和H2O分子與鋅界面的接觸,進(jìn)而抑制了鋅的析氫腐蝕[39]。有機(jī)添加劑在鋅優(yōu)先生長位置的優(yōu)先吸附,可以降低鋅表面缺陷上的表面能,減少鋅枝晶的成核位點(diǎn),提供了更均勻的電流分布,抑制局部鋅沉積,從而阻止或減緩鋅枝晶的進(jìn)一步生長[40]。

據(jù)報道,十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)由于其良好的保濕性和化學(xué)穩(wěn)定性,通常被用于抑制金屬腐蝕。Liu等[41]將DTAB添加到7.0 mmol/L飽和ZnO的KOH溶液中,從微觀形貌和電化學(xué)測量結(jié)果來看,DTAB能有效抑制鋅的腐蝕,且在含0.07% DTAB的電解液中鋅電極的性能是最好的。研究證明,加入咪唑(IMZ)和聚乙二醇(PEG)對鋅電極在3 mmol/L KOH電解液中的防腐具有協(xié)同作用[42]。環(huán)狀I(lǐng)MZ主要通過抑制陽極反應(yīng)抑制鋅的腐蝕,PEG鏈主要通過抑制陰極反應(yīng)抑制鋅的腐蝕。

Zhang等[43]提出了一種綠色且低成本的添加劑蕁麻提取物(NE),可通過原位設(shè)計的親鋅位點(diǎn)引導(dǎo)均勻的鋅沉積,通過試驗(yàn)和理論計算表明,NE中包含的親鋅分子可以吸附在Zn 陽極表面,為Zn成核提供更有效的活性位點(diǎn),從而有效地抑制枝晶生長,如圖3a～3c。含有 NE添加劑的 Zn||Zn 對稱電池在1 mA/cm2的電流密度和1 mA·h/cm2的容量下循環(huán)穩(wěn)定性可以從185 h增加到3 000 h以上(圖3d)。這種通過植物提取物添加劑在鋅陽極上設(shè)計親鋅位點(diǎn)的策略,為開發(fā)無樹枝狀物的鋅電極帶來了新的思路。

圖3 添加劑NE對鋅電極性能的影響[43]Fig. 3 Effects of NE additive on the performances of zinc electrodes[43]

雖然有機(jī)緩蝕劑能有效防止鋅的析氫腐蝕,但大部分有機(jī)緩蝕劑都在一定程度上降低了鋅電極的電化學(xué)活性。而無機(jī)緩蝕劑雖然抑制鋅析氫腐蝕的能力不如有機(jī)緩蝕劑,但往往能有效改善其電化學(xué)活性[44,45]。因此,將有機(jī)和無機(jī)緩蝕劑同時添加到堿性鋅電池中,有望實(shí)現(xiàn)既能抑制鋅電極的析氫腐蝕,同時改善鋅電極的電化學(xué)性能。

2.2 表面涂層

在堿性電解液中,鋅陽極發(fā)生固-液-固反應(yīng)機(jī)制[Zn-Zn(OH)42--ZnO],這可能會導(dǎo)致鋅枝晶、形狀變化和鈍化問題[46]。表面涂層策略通過防止鋅與電解液的接觸,以協(xié)調(diào)電極/電解液界面,從而促進(jìn)鋅均勻形核和生長,有效地保護(hù)鋅電極免受析氫腐蝕、鈍化和枝晶形成的影響[47,48]。這些涂層應(yīng)允許OH-充分遷移,以促進(jìn)充放電反應(yīng),同時在放電過程中降低Zn(OH)42-向外遷移的速率。Zn(OH)42-遷移的減少有助于減緩電極形狀變化,并降低充電過程中的濃度梯度,減小了枝晶生長的驅(qū)動力[49]。如何實(shí)現(xiàn)涂層的保護(hù)性,同時保留遷移通道的選擇性是目前研究的難點(diǎn)。根據(jù)涂層的性質(zhì),將涂層材料分為有機(jī)涂層和無機(jī)涂層2類。

2.2.1 有機(jī)涂層

有機(jī)涂層是引導(dǎo)Zn2+擴(kuò)散和調(diào)節(jié)表面膜形成的一種有前途的方法[50],主要可分為離子膜與導(dǎo)電聚合物。Zhu等[51]和Miyazaki等[52]指出,基于陰離子交換的離子聚合物(AEI)涂層能有效地阻礙鋅的溶解,防止鋅電極腐蝕,并且該離子膜對陰離子(如OH-)具有很高的離子傳導(dǎo)性,可抑制鋅電極鈍化。Stock等[53]成功地在具有電子導(dǎo)電主體結(jié)構(gòu)的模型電極上使用陰離子交換聚合體(AEI)均勻涂層來限制ZnO的傳輸。該涂層具有離子選擇性,允許氫氧化物離子傳輸,但不允許ZnO傳輸,如圖4所示,對ZnO傳輸?shù)南拗茰p少了電極的形狀變化。與未涂層的鋅電極相比,帶有AEI的涂層在電沉積過程中產(chǎn)生更多的還原鋅,應(yīng)用AEI涂層可使電池循環(huán)次數(shù)提高6倍。Gan等[54]以穩(wěn)定的聚乙烯醇(PVA)作為交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基底,聚二烯丙基二甲氯化銨(PDDA)作為陰離子載體,在鋅電極表面形成了一種復(fù)合涂層。復(fù)合層包覆導(dǎo)致鋅電極的循環(huán)壽命和可逆性明顯提高。

圖4 未涂層與帶有AEI涂層的鋅電極在充放電過程中形狀變化示意[53] Fig. 4 Schematic diagrams of the shape change of uncoated and AEI-coated zinc electrodes during charging and discharging processes[53]

最近,研究人員開發(fā)了一種聚酰胺涂層,可以隔離鋅金屬與電解液的接觸,以防止H2O和O2誘導(dǎo)的電極腐蝕和鈍化[55]。聚合物上的酰胺基團(tuán)提供了Zn2+的配位位點(diǎn),從而改變了電化學(xué)沉積電位。Chen等[56]通過一種簡單滴涂法在鋅電極表面上制備導(dǎo)電聚丙烯腈涂層(PANZ)。PANZ涂層不僅提高了鋅電極的親水性,極大地降低了鋅電極的界面電阻,而且促進(jìn)了溶解的Zn2+在PANZ膜中的均勻傳輸,促進(jìn)了金屬鋅的均勻電沉積。采用聚合物涂層改性鋅電極制作成的對稱電池循環(huán)壽命超過1 100 h,明顯優(yōu)于裸鋅陽極。導(dǎo)電聚吡咯(Ppy)與水楊酸鈉鹽的電聚合也能在鋅表面形成一個穩(wěn)定的黏附薄層,而不影響鋅的電化學(xué)性能[53]。除了離子膜和導(dǎo)電聚合物,其他聚合物如聚苯胺(PAN)[57,58]、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶[59]、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等[60]也被認(rèn)為是有效的鋅表面涂層。通過優(yōu)化制備參數(shù),可以很容易地調(diào)節(jié)其厚度、孔隙率、滲透率,促進(jìn)反應(yīng)物在電極表面的傳輸和擴(kuò)散速率,同時也可以控制有機(jī)涂層對不同離子的遷移速率,允許OH-通過,阻礙Zn(OH)42-的遷移,從而抑制鋅電極鈍化[61]。盡管有機(jī)涂層價格低廉,制備工藝簡單,但是也容易被鋅枝晶刺穿,失去保護(hù)效果。

2.2.2 無機(jī)涂層

又如明朝初年陶宗儀的《說郛》一書，在明朝后期被刻印出版時，也被人篡改了書名。在清朝的《四庫書目提要》的子部雜家雜纂之屬中，《說郛》一百二十卷的條目中說：“竄改舊本，已非九成（陶宗儀，字九成）之舊?！庇纱丝梢姡兆趦x的《說郛》一書被兩次篡改得面目全非。

無機(jī)涂層通常是剛性的,機(jī)械強(qiáng)度高,可以有效抑制鋅枝晶的突起[62]。Hong等[63]設(shè)計了一種均勻、堅固的金屬銻保護(hù)層,并通過原位置換反應(yīng)在鋅電極上進(jìn)行修飾。與裸鋅電極相比,制備的Zn@Sb電極為鋅的成核提供了豐富的親鋅位點(diǎn),并使鋅電極表面的電場均勻化,吉布斯自由能(△GH)計算和原位表征表明,銻層可以有效抑制析氫反應(yīng),通過銻改性后的鋅電極表現(xiàn)出34 mV的超低過電位,并在1 000 h內(nèi)具有良好的無析氫行為的循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為抑制鋅電極的析氫反應(yīng)提供了一種簡便有效的策略。

Schmid等[64]研制了以SiO2涂層為負(fù)極材料的Zn顆粒,以降低鋅電極的鈍化和析氫反應(yīng)(HER),發(fā)現(xiàn)SiO2涂層可以在堿性溶液中反應(yīng),形成凝膠Si(OH)4層,這不僅減少了鋅電極與堿性溶液的直接接觸,而且還控制了Zn(OH)42-和OH-擴(kuò)散。研究結(jié)果表明,有SiO2涂層鋅的利用率高達(dá)69%,高于原始鋅電極(52%)。此外,SiO2涂層使HER降低了40%。后來,其課題組又開發(fā)了Bi2O3-ZnO-CaO涂層[65]。循環(huán)性能測試結(jié)果表明,3.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Bi2O3-ZnO-CaO包覆的鋅電極可以運(yùn)行20個循環(huán),而未包覆的鋅電極在第1個循環(huán)后由于鈍化而失效。除了抑制鈍化作用外,Bi2O3對枝晶和HER也有明顯的抑制作用[66,67]。Kim等[68]使用CuO納米顆粒通過溶膠-凝膠技術(shù)對Zn顆粒進(jìn)行包覆。含0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CuO和純鋅電極的循環(huán)能力分別為26.33 h (658.25 mA·h/g)和18.16 h(454 mA·h/g)。

除氧化物外,碳基材料也作為鋅電極的涂層材料[69]。活性炭是一種重要的導(dǎo)電且可變形涂層,碳基材料的形態(tài)/性能多樣性(如石墨烯、金剛石、碳納米管)為涂層工程提供了更為靈活的方法[70-72]。Wu等[73]開發(fā)了一種離子篩碳層涂層的ZnO納米顆粒電極。由于微孔碳涂層外殼的離子篩作用,抑制了鋅的腐蝕,與鋅箔和裸ZnO納米顆粒相比,離子篩碳層涂層的ZnO納米顆粒在堿性電解液中具有更好的性能。如圖5a和5b所示,涂層碳?xì)さ目讖浇?jīng)過精心調(diào)整,允許OH-通過,同時阻止Zn(OH)42-的運(yùn)輸。在充電期間,Zn(OH)42-被限制在碳?xì)?nèi),并與殼內(nèi)的鋅反應(yīng),防止鋅在另一個位置沉積。相反,由于OH-尺寸較小,可以通過設(shè)計的孔隙自由擴(kuò)散出去。在放電過程中,受限的Zn(OH)42-將在來自殼外的OH-的參與下形成ZnO。

圖5 無機(jī)涂層對鋅電極的保護(hù)機(jī)理與效果Fig. 5 Protection mechanisms and effects of the inorganic coating on the zinc electrodes

此外,Zhang等[74]通過水熱法在碳纖維紙上生長ZnO納米棒,然后,使用原子層沉積(ALD)技術(shù)在ZnO納米棒上形成牢固且導(dǎo)電穩(wěn)定的TiNxOy涂層,合成了核殼ZnO@TiNxOy納米棒結(jié)構(gòu)陽極,研究了充電前后未包覆ZnO和ZnO@TiNxOy陽極的表面形貌。未涂覆的ZnO陽極電極形狀發(fā)生顯著變化,ZnO納米棒從碳紙襯底上脫落。相反,ZnO@TiNxOy陽極在充電后表面形貌保持其原始結(jié)構(gòu)(圖5c)。結(jié)果表明,TiNxOy涂層可以保護(hù)鋅電極,減緩鋅陽極的溶解。無機(jī)涂層雖然能夠有效抑制鋅枝晶,但是其制備工藝往往較為復(fù)雜,且無機(jī)涂層與鋅電極的結(jié)合力較弱,在鋅電極充放電過程中易于脫落,失去保護(hù)效果。

3 總結(jié)與展望

作為一種具有前景的儲能技術(shù),堿性鋅電池由于其固有安全性、高容量和成本低廣受關(guān)注。然而,其鋅電極的利用率低與可充電性差極大地限制了其發(fā)展。本文通過介紹鋅負(fù)極的工作原理,指出堿性鋅負(fù)極當(dāng)前所面臨的問題,并深入分析了解決以上問題的策略,所得主要結(jié)論與展望如下:

(1)目前對堿性鋅負(fù)極在充放電過程中的枝晶生長、鈍化和析氫問題內(nèi)在的副反應(yīng)機(jī)理的理解尚不充分?？紤]到電池運(yùn)行過程中同時發(fā)生的多個反應(yīng),應(yīng)進(jìn)一步深入探索與鋅電極副反應(yīng)相關(guān)的機(jī)制,以進(jìn)一步解決枝晶生長、鈍化和析氫問題。例如可采用先進(jìn)原位表征技術(shù)(原位X射線衍射、原位透射電鏡等)、模擬計算等對鋅負(fù)極表面的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究;

(2)采用適當(dāng)?shù)奶砑觿┠軌蛴行Ь徑怃\負(fù)極的枝晶生長、鈍化和析氫腐蝕等問題。然而,單一添加劑很難徹底解決堿性鋅電極所面臨的所有問題。今后可重點(diǎn)開發(fā)復(fù)合型添加劑(尤其是有機(jī)和無機(jī)復(fù)合添加劑),利用復(fù)合添加劑的協(xié)同效應(yīng),有望進(jìn)一步解決鋅負(fù)極的問題;

(3)采用適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉臃椒ㄒ材苡行Ы鉀Q鋅負(fù)極的枝晶生長、鈍化和析氫腐蝕等問題。然而,無論是有機(jī)涂層還是無機(jī)涂層都存在一定的問題,譬如無機(jī)涂層易于脫落,有機(jī)涂層強(qiáng)度較弱易于被鋅枝晶刺穿。今后的工作重點(diǎn)在于提高涂層的機(jī)械強(qiáng)度及其與鋅電極的結(jié)合強(qiáng)度,同時保持其較強(qiáng)的離子滲透能力;

(4)從目前堿性鋅電極的優(yōu)化策略而言,現(xiàn)有的單一策略尚不能有效解決堿性鋅電池負(fù)極所面臨的所有問題,因此同時應(yīng)用多種改性方法對堿性鋅電極進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),如對鋅電極進(jìn)行表面涂層,并同時在電解液中添加各種有機(jī)/無機(jī)添加劑。