中国科大谈鹏团队在水系锌基电池领域取得重要进展

中国科学技术大学工程科学学院谈鹏教授团队在水系锌基电池（azbs）研究中取得突破性进展，首次全面阐明了锌电极电溶解机理，为提升锌电极可逆性提供了新的解决方案。研究成果已发表于《science bulletin》期刊，题为“electrodissolution-driven enhancement in zn electrode reversibility”。

AZBs因其安全性高、环保、成本低和能量密度高等优势，被认为是理想的电化学储能系统。然而，锌电极在循环过程中不可逆的电化学溶解和沉积，导致枝晶生长失控，严重制约了AZBs的实际应用。与锂离子电池不同，AZBs启动时为放电过程，锌电极首先发生电溶解。但现有研究主要关注锌电沉积，忽略了电溶解对后续过程的影响。深入理解电溶解行为对于构建稳定的锌电极至关重要。

本研究采用精细抛光的锌箔，避免了表面粗糙度干扰，清晰地展现了锌电极的微观结构。实验结果显示，随着电流密度增加，电溶解行为呈现“点-线-面”的转变，维度也从0D跃迁到2D。通过电子背散射衍射、单晶腐蚀电位测试和第一性原理计算，研究团队揭示了不同晶面电溶解行为的差异：（002）晶面最稳定，（110）晶面最易被破坏。

图1 电溶解行为及定量分析

进一步研究发现，电溶解产生的“孔洞”、“间隙”和“凹坑”等缺陷区域成为后续沉积过程的主要场所，且这些缺陷难以完全修复，导致空间不可逆性。传质-电化学耦合模型揭示，缺陷区域的高离子浓度和局部电流密度决定了沉积过程中的成核位点和生长速率。

此外，研究团队探究了电溶解与锌电极容量不可逆性的关系，阐明了“死锌”形成机制。底部枝晶因离子浓度低，溶解速率高于顶部枝晶；枝晶内部晶粒取向差异也导致局部溶解速率不同，加剧枝晶不均匀溶解，最终导致枝晶断裂和“死锌”形成。这一发现为抑制“死锌”和提高锌电极可逆性提供了理论基础。

图2 “死锌”形成机理

基于以上研究，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。对称电池测试结果表明，择优取向锌电极的循环寿命比普通锌电极提升超过46%。这项研究为改善锌电极可逆性提供了新思路，并有望推广至其他金属电极研究。

论文通讯作者为中国科学技术大学谈鹏教授，共同通讯作者为何义博士，第一作者为博士研究生赵忠喜。该研究得到国家自然科学基金、国家创新人才计划和中国科大启动经费的支持。

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