水系锌金属二次电池具有低成本、高安全性、环境友好等特点，在可再生能源存储和电网储能等领域具有良好的应用前景。锌金属作为该电池体系负极具有理论容量高（820 mAh/g）、氧化还原电势低（-0.76 V，相对标准氢电极）、和储量丰富等优势。然而，由于较高的化学活性，锌金属负极在水系电解液中容易遭受严重化学腐蚀，影响了水系锌金属电池的存放和使用寿命。目前，已有报道通过锌负极界面修饰、三维电极结构设计、电解液工程、原位构筑电极-电解液界面等策略提升锌负极材料的电化学可逆性。然而，目前尚无对锌金属负极在水系电解液中的化学腐蚀现象和机理的研究报道，缺乏从机理研究角度出发发展抑制锌金属负极化学腐蚀的策略，进而提升其电化学性能。

鉴于此，华中科技大学孙永明教授课题组首先系统研究了锌金属负极在水系电解液中的化学腐蚀现象和机理，研究发现锌金属负极在经典的ZnSO₄水系电解液中静置即可在表面生成大量碱式硫酸锌固体产物和氢气气体产物。值得注意的是，电解液随着不均匀化学腐蚀的发生不断向锌金属体相渗透，进而造成化学腐蚀不断向锌金属负极内部扩展，静置30天后锌金属电极内部腐蚀深度最深可达132.2微米。碱式硫酸锌和氢气等化学腐蚀产物消耗了电解液和活性锌，增加了锌金属负极的界面阻抗，引发水系锌金属电池的胀气等问题。为了抑制锌金属负极的化学腐蚀，提升水系锌金属电池的电化学性能，研究者在锌金属负极表面引入抗化学腐蚀的金属铜组分，设计了Cu/Zn复合金属电极。所制备的Cu/Zn复合电极在ZnSO₄电解液中的腐蚀速率成功降低至纯锌电极的21.3%。Cu/Zn复合电极在ZnSO₄电解液中静置30天后，其形貌、组成、结构及电化学阻抗均未发生明显变化。由Cu/Zn复合电极所组装的对称电池静置（化学腐蚀）30天后，在1 mA/cm²和0.5 mAh/cm²测试条件下进行锌电化学沉积和溶解循环测试，可稳定循环1500小时以上，平均过电势保持为46 mV。相同条件下，纯锌对称电池的过电势则大于400 mV。在循环过程中，Cu/Zn复合电极会在电极表面形成Cu-Zn合金，以引导锌的均匀沉积。研究人员将Cu/Zn复合负极与MnO₂正极匹配组装水系全电池，在10 C（1C = 308 mAh/g）条件下，Zn||MnO₂电池循环300次容量保持率为27.6%，而Cu/Zn||MnO₂电池能稳定循环500次以上，500次循环容量保持率为94.2%，优异的电化学性能为Cu/Zn负极在水系电池中的大面积实际应用提供了可能性。

研究者相信，该项目研究揭示锌金属负极在水系电解液中的化学腐蚀过程和机理及提升锌负极抗化学腐蚀具有重要意义，为抗腐蚀锌负极材料的设计与制备提供了新的思路，也为其它多价金属水系电池负极材料的设计提供了借鉴意义。2020年2月5日，相关工作以《Chemically resistant Cu-Zn/Zn composite anode for long cycling aqueous batteries》为题发表在国际能源和材料领域著名期刊Energy Storage Materials（DOI：10.1016/j.ensm.2020.01.032）上。

（a）锌金属负极在ZnSO₄电解液中的化学腐蚀机理示意图；（b）所制备Cu/Zn复合负极的截面SEM和EDS元素分布图；（c）抗化学腐蚀Cu-Zn/Zn负极循环过程的示意图；（d）纯Zn对称电池和Cu-Zn/Zn对称电池在化学腐蚀30天后的电化学性能图，测试条件：1 mA/cm²和0.5 mAh/cm²。