电池为我们提供了一种从传统和可再生能源中高效存储能量的可靠方式。其中，锂离子电池（LIBs）由于其高比能量和广泛适用性而备受青睐。然而，生产LIBs所使用的不可再生资源的有限性和CO₂排放问题令其发展的可持续性受到质疑。例如，制造1 kWh的LIBs导致大约75 kg的CO₂排放，而煤炭产生同等电量只释放约1 kg CO₂。令人更为关注的是，LIBs中大量使用的金属元素（如镍、钴和锂）因其资源稀缺性可能面临未来的供应短缺，这有可能使它们成为新时代的“石油”。地缘政治和供应链的风险进一步加剧了这一问题。虽然LIBs在电池市场中的主导地位难以撼动，但是针对未来人类社会应用场景的多样性，更有可能出现的是多种电池类型共存的模式，每一种电池都会有适合一个或多个行业的独特属性，而非所有领域都依赖于LIBs。尤其从环境和经济的角度看，LIBs并不是现代社会储能的最佳选择。因此，研究者们日益关注并寻找在成本效益、资源有效性和可持续性方面可互补及替代LIBs的新技术。

作为最有前景的替代者之一，水系锌电池具有快速的充放电速率和出色的体积能量密度（例如Zn/MnO₂电池的理论能量密度为4400 Wh/L），而且其原材料（如水系电解液）成本低廉。上世纪以来，一次锌金属电池（如Zn-MnO₂、Zn-Ag和Zn-air电池）已经得到了充分的开发，并且至今仍在市场上占有一定份额。但是，至今还没有一个可靠的可充电的锌金属电池系统。虽然19世纪80年代末，Yamamoto等人首次提出了可充电锌离子电池（RZMBs） 的理念（J. Appl. Electrochem., 1988, 18, 521-526；J. Electroanal. Chem., 1993, 362, 153-157），但是在当时的科技现状下，“可充性”仅仅限制于几十次的充电寿命。随着LIBs的发明及性能的不断演化，对锌电池的“可充性”提出了更高的要求和期待。最近10年，研究者们已经在基于中性或微酸性电解液环境的锌离子正极存储材料上做了大量的研究工作 （Energy Environ. Sci., 2018, 11, 3157-3162；J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12894-12901）。然而，RZMBs的实际应用能否成功仍然依赖于锌金属负极在水系电解液中电化学反应的可逆性，这已经被认为是影响其循环使用寿命的首要因素（Nat. Mater., 2018, 17, 543）。

限制锌金属电池为非可充电系统的主要瓶颈是锌金属表面难以抑制的枝晶生长，以及锌金属在常规水性电解液中较差的热力学和电化学稳定性。在锌离子沉积过程中，初次成核通常是局部的，新沉积的离子更喜欢沉积在已有的晶体表面以减小表面能，因此形成树突形生长。这种易碎的树突枝晶容易断裂，导致死锌的形成和可能的内部短路。同时，持续的法拉第和非法拉第的副反应是导致锌金属负极不可逆的另一个重要原因。从布拜图上来看（图1），金属锌在水系环境中从热力学上来说是不稳定的；即使在中性和轻度酸性的电解液中，由溶解的O₂和自由水引起的腐蚀仍然存在。不同于当前主流的LIBs，其中原位形成的固体-电解质界面（SEI）为电极提供了良性的动力学保护，锌金属负极上锌离子的沉积不可避免地受到析氢反应的干扰，导致界面处局部pH变化从而产生阻断锌离子传导的副产物（如锌氢氧化物和锌酸盐等），从而使可用的锌被不断钝化。特别是在长时间运行和大沉积容量的条件下，这种不可逆反应在电解液和锌负极界面处更加严重，导致锌金属使用寿命大大缩短。因此，只有在满足无枝晶沉积和抑制副反应的要求的前提下，才能实现锌金属负极的可逆充放电运行。

实际上，研究者们已经提出了几种有效的策略来应对锌的枝晶生长，这些策略包括调控电解液配方、优化添加剂、构建分层结构和设计纳米级基质 （Science, 2017, 356, 415-418; Joule, 2018, 2, 2519-2527）。然而，很少有方法遵循水系ZMBs的固有特性，即低成本和良好的安全性；这些方法的局限性和复杂性促使我们寻求一个完全不同的策略。在电镀锌领域，使用光亮剂是一项经过验证的成熟技术，它在改善基于复杂表面化学的锌镀层中起到了不可替代的作用。通常，与锌离子强烈配位的光亮剂可以在电镀基材上构建一个扩散层，从而提高电化学极化和成核过电势（NOP）。基于此，锌离子成核的活性位点数目大大增加，锌沉积的晶粒被细化，从而得到致密的镀锌层。受到这种机制的启发，有望通过设计人工光亮剂层来调控界面处锌离子传导、成核分布和随之产生的沉积/剥离行为，从而增强锌金属负极的可逆性。

基于以上分析，我们选择尼龙作为构建锌金属负极界面的光亮剂材料 （Energy Environ. Sci., 2019, 12, 1938）。这主要是考虑到尼龙独有的特性，包括高粘弹性、良好的柔韧性以及其固有的能与锌离子配位的酰胺基团。尼龙界面通过提高NOP来细化成核晶粒，并通过限制锌离子的二维扩散来增加成核密度，从而赋予锌金属负极致密且光滑的沉积形貌 （图2）。同时，水系电解液中溶解的氧和自由水也可以被有效地阻挡，从而显著抑制腐蚀等副反应的发生。据我们所知，这是首次在水系电解液中将锌离子沉积/剥离的循环寿命延长到8000小时以上。需要强调的是，涂有尼龙光亮剂界面层的锌金属负极可以稳定地支持10 mAh/cm²的可逆面积容量（85%放电深度），这意味着大约17毫米厚的锌金属的沉积/剥离。锌负极的这种显著体积变化会带来相应的内部应力波动，从而证明了尼龙界面层在维持可逆锌电化学的同时具有显著的自适应特性。Zn/MnO₂电池的使用寿命也从450圈显著提高到1000圈以上（155.4 mAh/g，88%的容量保持）。这些优越的性能表明这是一个超越现有技术的巨大进步。同时，制备尼龙光亮剂界面相的方法具有成本效益高、简便和可扩展的特性，而且涉及的机理和技术简单明了；所有这些都有望推动RZMBs的实际工业生产和大规模应用。此外，考虑到其环境友好和成本效益高的优势，将经典且已商业化的尼龙材料与已有百年历史的锌金属电池相结合似乎是一个自然且有吸引力的选择。

近期，我国强调了碳中和这一理念，决定将碳达峰和碳中和纳入生态文明发展的总体规划中，致力于在2030年前实现碳达峰，以及在2060年前实现碳中和。为了达成这个目标，洁净能源的开发、储存与利用显得尤为关键。洁净能源的应用需要既环保又安全的储能设备。锌金属电池因其绿色、无污染且高安全性的特点，被看作是未来能源储存的重要方向。然而，在响应这一社会与历史的发展趋势的同时，锌金属电池也需解决其现有的一些问题。为锌离子设计具有稳定晶格结构的正极材料，以及进一步深入研究抑制锌金属的腐蚀与枝晶生长的有效策略都是重要的研究方向。此外，探索如锌/石墨双离子电池和基于两电子转换的锌/二氧化锰电池等高电压体系，可以有效提高锌金属电池的能量密度。在此基础上，需要对锌金属电池的大规模应用进行有效探索，尤其在对能量密度需求较低的大型间歇性储能领域，它具有显著的优势。相信通过研究者们的持续努力和探索，锌金属电池未来会在多个领域得到广泛应用，为社会创造巨大价值。