第一作者：鲁红飞
通讯作者：金阳
通讯单位：郑州大学
DOI：10.1016/j.ensm.2026.104935
【研究背景】
水系锌离子电池（AZIBs）凭借安全性高、资源丰富及成本低廉等优势，在储能领域潜力显著。但目前快速发展的水系锌碘电池面临关键技术瓶颈：薄锌负极在反复剥离与沉积过程中易生成锌枝晶，引发电池短路、性能衰减。因此，解决薄锌负极枝晶形成的挑战对于AZIBs的实际应用至关重要。锌枝晶的形成可能受多种因素影响：（1）锌负极表面的不均匀锌剥离；（2）锌沉积过程中初始形核不均匀；（3）后备锌与活性锌之间没有明确的界限；（4）非原位电镀工艺导致的轻微正、负极不匹配。
目前的锌离子电池结构主要有三种，（1）AS结构（Anode/Separator）结构，可追溯至伏打电堆，负极侧锌箔同时充当活性材料和活性集流体，不引入额外的非活性集流体，因无额外非活性组分引入，理论上具备能量密度优势，但实际为维持电极完整性与电池性能，往往在低锌利用率下运行，能量密度难以有效提升。（2）CAS结构（Current collector/Anode/Separator），与目前锂离子电池结构相同，也是最近些年锌离子软包电池最常用的结构，其核心改进为在锌负极与隔膜之间增设非活性集流体，集流体与锌箔的复合方法常用的有直接贴附法和电镀法，但目前组装成电池进行电镀再拆解出复合极片的方法较为低效，规模化应用比较困难。（3）无负极电池结构（Anode-free或Current collector/Separator，CS结构），应用较少，该结构要求正极为富锌态，而水系锌离子电池中绝大多数正极材料为无锌或贫锌型；二是其采用 100% 锌利用率设计，无额外锌源补充，循环过程中锌不可逆损失难以补偿，电池衰减速率快，正极容量也难以充分发挥，性能通常低于 AS、CAS 结构。
基于此，从创新电池结构设计破解锌枝晶生长与锌利用效率低的核心难题出发，郑州大学金阳教授团队提出了一种新型电池结构：ACS结构（Anode/Current collector/Separator），这种结构听起来是违反自觉的，似乎无法运行。然而，该结构创新之处在于利用微孔集流体的微孔来迁移锌离子，通过其骨架来维持集流体的电子传导功能。具体而言，在锌利用率（ZUR）高达49.6%（对应面容量4 mAh cm⁻²）的严苛工况下，Zn||Zn扣式电池的循环寿命由CAS结构的124小时大幅提升至ACS结构的1100小时以上；当ZUR降至24.8%（对应面容量2 mAh cm⁻²）时，其寿命进一步延长至1500小时以上，远超CAS结构的150小时。 对于大面积器件，采用ACS结构的5 cm × 5 cm Zn||Zn软包电池在相同高ZUR（49.6%，4 mAh cm⁻²）条件下实现超过800小时的稳定循环寿命，较AS结构（52小时）和CAS结构（160小时）分别提升逾15倍和5倍。在正极体系拓展方面，ACS结构的Zn||I₂@Ti扣式电池展现出卓越的长循环稳定性：经60,000次充放电循环后仍保持初始容量的66%，累计输出容量达107 Ah cm⁻²，显著优于同等条件下的CAS结构电池。双层Zn||I₂@Ti软包电池的循环寿命亦由AS结构的不足100次跃升至ACS结构的1200次以上。此外，一款额定容量为2.79 Ah的ACS结构Zn||I₂@Ti软包电池，在全组分质量归一化条件下实现29.7 Wh kg⁻¹的能量密度，可稳定运行200周以上，且容量保持率维持在82.65%左右。该能量密度值目前位居已报道Zn||I₂@Ti软包电池的最高水平之列。
其相关成果以题为“ACS structure (Anode/Current collector/Separator) for zinc-ion batteries”在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上发表。
图1. 电池结构示意图及两种电池结构中锌剥离和沉积过程示意图
图2. Zn在Mp-Cu上的均匀沉积和ACS结构的动态补锌
图3. 不均匀锌需求下ACS和CAS结构锌离子迁移的差异
图4. CAS结构与ACS结构锌对称电池中锌沉积的光学图像及锌离子浓度分布模拟结果
图5. CAS常规结构与ACS结构锌对称电池的电化学性能
图6. 不同结构Zn||I₂及Zn||I₂@Ti扣式电池的性能研究
图7. 不同结构Zn||I₂@Ti软包电池的性能研究
【结论】
综上所述，本文提出了一种新型ACS电池结构，采用微孔金属箔作为集流体置于隔膜与锌箔之间，无需预电沉积即可简化组装，实现后备锌与活性锌的分离，保障锌均匀沉积/剥离。性能测试表明，锌利用率49.6%（4 mAh cm⁻²）时，ACS结构锌对称电池循环寿命达1100 h以上（CAS仅124 h）；ACS结构锌碘纽扣电池循环超60000次（CAS仅2116次），双层ACS结构锌碘软包电池循环超1200次、容量保持率89.8%；2.79 Ah ACS软包电池200次循环后，容量保持率82.65%，实际能量密度29.7 Wh kg⁻¹。该结构深化了对电池内部离子迁移及金属剥离/沉积行为的理解，推动无电镀高性能金属负极规模化应用，为先进水系锌碘电池发展提供支撑。
【文献信息】
H. Lu, D. Zhang, Z. Du, X. Yuan, Y. Song, Z. Zhang, N. Lyu, X. Jiang, Y. Jin, ACS structure (Anode/Current collector/Separator) for zinc-ion batteries.
Energy Storage Materials 2026, 86: 104935
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104935
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