水系锌离子电池中锌金属负极研究的十大误区和关键点

乔羽教授课题组在水系锌离子电池锌金属负极的相关研究中取得重要进展。相关成果以“Ten concerns of Zn metal anode for rechargeable aqueous zinc batteries”为题发表在Joule上（Doi:10.1016/j.joule.2023.05.004）。

水系锌离子电池由于安全绿色的操作环境、电解质的高离子电导率、高的理论容量，成为大规模储能的候选者，并受到学术界的重点关注。研究者对其工作机制和性能提升策略进行了深入的探索。锌金属负极的工作机制是基于Zn²⁺/Zn的电沉积/溶解。在Zn²⁺电沉积的过程中，水合Zn²⁺经历了一系列相互关联的阶段，包括传质、去溶剂化、电荷转移和电结晶（成核和生长）等。由于活性水分解诱导的副反应，锌金属负极的稳定性/可逆性较差，当前相关的改性策略和副产物的深层作用机制还没有得到清晰明确的解释，甚至存在对Zn²⁺的电沉积/溶解过程的错误理解，这严重限制了其实际应用。

基于此，我院乔羽教授课题组针对锌金属负极提出了十个关注点。本工作基于研究团队最新的实验数据，并借助经典的电化学和结晶学理论，澄清了现阶段锌金属负极相关研究中存在的模棱两可的问题，同时指出了 “跳出”目前困境的方法。本工作从科学问题角度切入，讨论了一些对电化学基本概念的误解和不合适的实验数据解读，并基于工程问题角度，探讨了工程技巧背后的关键科学问题。针对当前存在的问题，本工作倡导建立准确的、有针对性的表征技术，以观测电极/电解质界面的动态演化过程，并提出原位表征范式组合。研究团队将这些问题系统地归纳为十个关注点：（1）重新认识成核过电势和生长过电势；（2）纠正电结晶过程中对暴露晶面和电结晶取向的误解；(3)揭露XRD和SEM观测的随机性；（4）明晰锌金属负极界面保护层的沉积动力学模型；（5）澄清极化曲线在析氢腐蚀中的混乱应用；(6)认识典型的ZHS副产物的作用；（7-8）揭示Zn/Cu, Zn/Zn电池在电池组装中的工程学技巧; (9)揭露光学显微镜在探究锌沉积/剥离均一性中的局限性; (10)建立定向的监测界面动态演化的原位表征范式。

锌金属负极10个关注点的简化示意图

该项研究工作是在乔羽教授的指导下完成，2021级研究生余小雨，2020级博士生李振刚为共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金（22179111、22021001），科技部重点研发计划（2021YFA1201900），嘉庚创新实验室基础研究项目（RD2021070401），以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。