近年来，能源转型需要人们以更加清洁和可持续的方式发展能源经济。金属二次电池因其能量密度高、寿命长等特点在电动汽车和大型可再生能源存储领域引起广泛关注。金属负极（如锂箔或锌箔）具有易加工、可批量等优势，是金属电池中常用的电极形式。例如金属锌箔，由于低成本、高理论容量（820 mAh g^-1）而成为水系电池负极研究的热点。目前，锌金属电极存在严重的电化学不可逆问题。特别是在大电流密度、高面积容量的严苛条件下，锌金属电极的体积效应和电极副反应（化学腐蚀和电化学析氢）更加严重，限制了其在水系二次电池领域的实际应用。

针对上述问题，华中科技大学的孙永明教授与斯坦福大学崔屹教授等利用简单的化学置换反应制备三维叉指式金属锌/固态电解质电极。独特的三维叉指结构抑制了电极在电化学循环过程中的表观体积变化；固态电解质隔离了活性锌金属与水相电解液，从而抑制副反应；金属锌金属与固态电解质三维叉指复合结构增加了电化学活性表面及载流子传输途径，实现锌金属负极高度可逆。

众所周知，置换反应是化学四大基本反应类型之一，其在金属晶界或表面缺陷处的反应速率高于体相。利用这一特性，氯化铟与多晶金属锌箔的置换反应使金属铟沉积在锌箔表面并向体相晶界深处扩散，形成三维叉指式结构。进一步电化学活化后，金属铟被原位氧化为碱式硫酸铟固态电解质，形成叉指式金属锌/固态电解质碱式硫酸铟（Zn/IHS）复合电极。研究发现碱式硫酸铟由无定型超细纳米颗粒组成致密薄膜，锌离子可在颗粒表面处传导。同时，三维叉指式电极结构具有较大的电化学活性比表面。由Zn/IHS电极组装的对称电池在20 mA cm^-2和20 mAh cm^-2测试条件下进行金属锌电化学沉积和溶解循环测试，过电势仅为10 mV，优于目前已报道的所有锌金属电极。此外，研究人员将Zn/IHS负极与MnO₂正极匹配组装水系全电池，在10C条件下， Zn/IHS||MnO₂电池容量可达100 mAh g^-1，1000次循环容量保持率为93.9%，远优于传统锌金属电极（相同条件下容量保持率仅为53.6%）。

研究者相信，该工作三维叉指式Zn/IHS复合电极的置换反应制备为设计具有高机械稳定性和良好可逆性的水系Zn金属电极提供了新的视角，为实现先进水系Zn金属电池提供的新的思路。2021年2月17日，相关工作以《A Replacement Reaction Enabled Interdigitated Metal/Solid Electrolyte Architecture for Battery Cycling at 20 mA cm^-2 and 20 mAh cm^-2》为题发表在国际化学顶级期刊Journal of the American Chemical Society上(DOI: 10.1021/jacs.0c11753)。

叉指式金属（锌）/固态电解质（碱式硫酸铟）电极结构与电化学性能