中国科大揭示水系锌基电池中锌电溶解机理

近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系特任教授谈鹏团队在水系锌基电池（AZBs）领域取得重要进展，首次全面揭示了锌电极的电溶解机理，为提升锌电极的可逆性提供了新思路。相关成果以“Electrodissolution-Driven Enhancement in Zn Electrode Reversibility”为题发表在知名期刊《Science Bulletin》上。

AZBs由于固有的安全性、环境友好、低成本和高能量密度，是理想的电化学储能系统。然而，锌电极在长时间循环过程中不可逆的电化学溶解和沉积行为导致了不可控的枝晶生长，严重阻碍了该技术的实际应用。不同于锂离子电池，AZBs的起始运行工步是放电过程，即锌电极首先发生电溶解反应，而不是电沉积。然而，现有研究大多集中在锌的电沉积行为上，电溶解特性却被忽视。锌电极的电溶解会改变其表面状态，进而影响后续的操作步骤。因此，对电溶解行为的全面理解对构建稳定的锌电极至关重要，但相关研究鲜有报道。

不同于传统AZBs测试中直接采用原始锌箔，本研究基于精细抛光的锌箔以排除表面粗糙度的干扰，并清晰展现晶粒和晶界等微观结构。实验结果表明，随着电流密度的升高，电溶解行为呈现“点-线-面”的行为转变和0D-1D-2D的维度跨越。结合多晶体的电子背散射衍射表征、单晶体的腐蚀电位测试和第一性原理计算，研究团队揭示了锌不同晶面之间的电溶解行为差异，发现（002）晶面最难被剥离，而（110）晶面最容易被破坏。

图1电溶解行为和定量分析

基于对电溶解行为的理解，进一步探究了电溶解对后续沉积行为的影响。形态表征表明沉积过程主要发生在电溶解形成的“孔洞”、“间隙”和“凹坑”等缺陷区域，且无法完全修复这些缺陷，表现出空间不可逆性。通过构建传质-电化学耦合模型揭示了电溶解形成的缺陷附近具有较高的离子浓度和局部电流密度，进而决定了沉积过程中的成核位点和生长速率。

此外，研究团队深入研究了电溶解与锌电极容量不可逆性之间的关系。通过考虑枝晶的外部浓度分布和自身结构异质性阐明了“死锌”形成机制。相对于顶部枝晶，底部枝晶附近由于具有较低的离子浓度表现出较高的溶解速率。此外，枝晶内部不同晶粒的取向差异也会导致局部溶解速率不同，进一步加剧枝晶的不均匀溶解，最终导致枝晶断裂和“死锌”形成。这一发现为抑制“死锌”形成和提高锌电极可逆性提供了理论依据。

图2“死锌”形成机理

基于上述发现，研究团队通过外延生长构建了具有择优取向的锌电极，显著抑制了溶解不均匀性，提升了锌电极的可逆性。实验结果表明，与具有任意取向的锌电极相比，具有择优取向的锌电极在对称电池中展现出超过46%的循环寿命提升。这一成果为改善锌电极的可逆性提供了新思路，并有望推广到其他金属电极的研究中。

本文的通讯作者为我校工程科学学院热科学和能源工程系谈鹏特任教授，共同通讯作者为何义博士，第一作者为我校博士研究生赵忠喜。该工作得到国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）、国家创新人才计划青年项目和中国科大启动经费的资助。特别感谢中国科学技术大学理化科学实验中心付圣权老师对本研究表征工作的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.060

（工程科学学院、科研部）

标签：取向  电化学  表征