物理學院教師王立群博士合作在Advanced Materials發表題為“An Ultrahigh Rate and Stable Zinc Anode by Facet-Matching-Induced Dendrite Regulation”的研究文章，提出一種解決金屬負極材料(Zn/Mg/Al)枝晶問題的新的可行策略。
水系鋅離子電池(ZIBs)由于其安全性和資源豐富性等優勢，在電網級儲能方面具有一定的發展潛力。然而，鋅負極長期以來都存在電鍍剝離不均勻所導致的不可控的枝晶生長/放大問題，通常會導致低庫侖效率、充放電可逆性差，并最終造成ZIB的短路。因此，許多研究致力于抑制枝晶生長，從而以提升鋅負極的穩定性。可是，鋅負極表面不可能實現完全均勻，例如其表面仍存在納米尺度起伏，暴露不同晶面等。由于負極表面本征的不均勻性，鋅枝晶是無法完全消除的。尤其是在大電流密度下，表面不均勻導致的枝晶生長十分劇烈，抑制枝晶的效果也會受限。
受中國上古神話——“大禹治水”中“堵不如疏”思想的啟發，抑制枝晶的自我放大效應，合理地調節它們的生長，而不是完全阻礙它們的形成，可能是提高金屬陽極穩定性的一種更為有利的動力學途徑。具體而言，如果電極表面存在大量微小的、大小相似的、均勻分布的枝晶，其充放電時周圍電場不會明顯變化。同時，大量枝晶的生長相互競爭，可以有效避免單個枝晶的異常長大。因此，金屬的重復電鍍/剝離只會導致樹枝狀物的均勻長大和縮小，而非形成有害的大枝晶。
有鑒于此，我校物理與材料科學學院教師王立群博士聯合天津大學侯峰教授/梁驥教授開發了一種基于晶面匹配的枝晶調節策略，即利用Zn(002)/Cu(111)晶面匹配誘導并調控鋅枝晶產生和生長，實現了超高充放電速率下可逆的鋅電鍍/剝離。與傳統的Zn枝晶抑制策略相比，在銅納米線(CuNWs)基底的規則暴露的Cu(111)面上外延沉積形成了大量均勻而微小的Zn枝晶。微小的、大小相似的、均勻分布的Zn枝晶形貌有效抑制了其“自我放大”的生長效應，消除了不規則枝晶的異常長大，如圖1所示。受益于該獨特枝晶狀形貌，對稱電池在100.0 mA cm-2的條件下，實現了長達30000圈的高度穩定和快速的電鍍/剝離循環，從而獲得了30 Ah cm-2的高累積面積容量。此外，外延沉積誘導并調控枝晶生長的策略有希望應用到到其他金屬的沉積，如鎂和鋁負極，具有廣泛的應用潛力。
圖1 機理演示
該工作近期被Advanced Materials接收發表(2022, 34(37) https://doi.org/10.1002/adma.202203835)，并被選為當期封面文章，向讀者重點推介，如圖2所示。該工作由我校物理學院教師王立群博士和天津大學梁驥教授、侯峰教授合作完成，天津師范大學為第二通訊單位。
圖2 受邀制作的封面圖片
該工作得到國家自然科學基金面上項目(22179093、21905202)的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202203835
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