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西湖大学姜汉卿团队AEM：微纳加工助力超高稳定性锌金属负极

时间：2023-10-03 来源：浏览：

西湖大学姜汉卿团队AEM：微纳加工助力超高稳定性锌金属负极

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【研究背景】

锌金属电池采用安全性较高的水系电解质，具备成本低廉、理论容量密度高、还原电位低、环境友好等优势，具有广泛的应用前景。然而，由于不可控锌枝晶生成、界面副反应以及充放电过程中显著的体积变化等诸多问题，锌离子电池的广泛应用受到严重制约。锌离子在不同种类的金属表面以及金属的不同晶面上具有不同的沉积能垒。因此，有望通过优化锌金属负极的表面性质调控锌沉积行为抑制枝晶生长和体积膨胀。

【工作介绍】

基于此，西湖大学工学院姜汉卿团队 采用亲锌的铜箔作为负极，并通过湿化学处理 择优暴露优势晶面 ，降低锌金属沉积能垒，抑制锌枝晶生成；并进一步通过 光刻技术 构建周期性择优暴露晶面的半球形三维凹槽 提高铜箔的比表面积 ，抑制电池在循环充放电过程的体积膨胀，显著提高了锌金属电池的电化学性能。 这种简便的光刻-湿化学处理联用技术，使得大规模生产暴露特定晶面的铜电极成为可能，且可以利用现有的锂离子电池加工设备，具有较大的应用潜力。相关研究工作以“Ultra-stable Zinc Metal Anodes Enabled by Uniform Zn Deposition on A Preferential Crystal Plane”为题发表于国际知名期刊 Advanced Energy Materials ，姜汉卿团队助理研究员曾伟、卫平东为本文的共同第一作者。

【图文解析】

如图1所示，初始铜箔具有较高的能垒，导致锌枝晶生成难以控制；通过湿化学处理选择性暴露（100）晶面后，锌沉积的能垒显著降低，明显抑制了锌枝晶的生成；通过光刻技术进一步引入周期性三维半球形凹槽，显著提高了铜箔的比表面积，为锌沉积提供了充分的空间，同时使锌离子分布更加均匀。这最终实现了在凹槽内部锌离子更加均匀地沉积，从而实现了高度稳定和可逆的锌沉积/剥离过程，并抑制了锌枝晶的生成。

与原始铜集流体相比，锌在亲锌性晶面（100）暴露的铜集流体上具有更低的沉积过电位、更小的接触角以及更快的沉积动力学。第一性原理计算结果显示，铜的（100）晶面对锌原子的结合能力比（111）晶面更强。所有这些因素共同作用，使得锌能够更加均匀稳定地沉积在电极表面。

如图3所示，利用光刻-湿化学处理联用技术，实现了在三维周期性凹槽内部择优暴露Cu(100)晶面。

针对具有周期性半球形凹槽的铜电极，仿真结果表明，该电极和电解质界面上的电流密度明显降低，从而促进电荷重新分布并使锌离子流动均匀化。进一步地，沉积过程中的锌离子浓度场分布仿真以及沉积后的形貌分析表明，锌会优先在半球内部成核并沉积，最终导致锌离子的规则分布以及均匀沉积。另外，增大的比表面积为锌沉积提供大量空间，有效地抑制了体积膨胀。所有这些因素共同作用，实现了高度稳定且可逆的锌沉积/剥离过程，并抑制了锌枝晶的生成。

具有三维半球形凹槽的f-Cu电极在不同电流密度（1， 5 ， 10 mA cm ^-2 ）均展现出较高的库伦效率， 5 mA cm ^-2 电流密度下循环1500次后库伦效率依然保持99.9%以上。组装的对称电池显示出高度的循环稳定性。组装的全电池在10 A g ^-1 的高倍率下展现出长达1000圈的循环寿命。

【结论】

通过微纳加工策略和湿化学改性处理，可以制备具有三维周期性结构和暴露优势晶面的Cu负极。这种负极结构降低了锌沉积的能垒，促进了锌离子的均匀分布，并提供了更大的比表面积。这些特点有利于锌离子的均匀沉积，同时抑制了锌枝晶的生成。重要的是，这种制备策略可以利用现有的锂离子电池工业化生产设备进行大规模制造，因此具有显著的应用前景。

Wei Zeng, Pingdong Wei, Juner Chen, Guangzhao Wang, Yu Yan, Huihuang Yu, Chunyang Yang, Guanhua Zhang, Hanqing Jiang*, Ultra-Stable Zinc Metal Anodes Enabled by Uniform Zn Deposition on A Preferential Crystal Plane, Adv. Energy Mater. , 2023 , 13, 2302205.