近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)在水系鋅基電池（AZBs）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次全面揭示了鋅電極的電溶解機(jī)理，為提升鋅電極的可逆性提供了新思路。相關(guān)成果以“Electrodissolution-Driven Enhancement in Zn Electrode Reversibility”為題發(fā)表在知名期刊《Science Bulletin》上。

AZBs由于固有的安全性、環(huán)境友好、低成本和高能量密度，是理想的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，鋅電極在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過程中不可逆的電化學(xué)溶解和沉積行為導(dǎo)致了不可控的枝晶生長(zhǎng)，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。不同于鋰離子電池，AZBs的起始運(yùn)行工步是放電過程，即鋅電極首先發(fā)生電溶解反應(yīng)，而不是電沉積。然而，現(xiàn)有研究大多集中在鋅的電沉積行為上，電溶解特性卻被忽視。鋅電極的電溶解會(huì)改變其表面狀態(tài)，進(jìn)而影響后續(xù)的操作步驟。因此，對(duì)電溶解行為的全面理解對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定的鋅電極至關(guān)重要，但相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

不同于傳統(tǒng)AZBs測(cè)試中直接采用原始鋅箔，本研究基于精細(xì)拋光的鋅箔以排除表面粗糙度的干擾，并清晰展現(xiàn)晶粒和晶界等微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電流密度的升高，電溶解行為呈現(xiàn)“點(diǎn)-線-面”的行為轉(zhuǎn)變和0D-1D-2D的維度跨越。結(jié)合多晶體的電子背散射衍射表征、單晶體的腐蝕電位測(cè)試和第一性原理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)揭示了鋅不同晶面之間的電溶解行為差異，發(fā)現(xiàn)（002）晶面最難被剝離，而（110）晶面最容易被破壞。

圖1電溶解行為和定量分析

基于對(duì)電溶解行為的理解，進(jìn)一步探究了電溶解對(duì)后續(xù)沉積行為的影響。形態(tài)表征表明沉積過程主要發(fā)生在電溶解形成的“孔洞”、“間隙”和“凹坑”等缺陷區(qū)域，且無法完全修復(fù)這些缺陷，表現(xiàn)出空間不可逆性。通過構(gòu)建傳質(zhì)-電化學(xué)耦合模型揭示了電溶解形成的缺陷附近具有較高的離子濃度和局部電流密度，進(jìn)而決定了沉積過程中的成核位點(diǎn)和生長(zhǎng)速率。

此外，研究團(tuán)隊(duì)深入研究了電溶解與鋅電極容量不可逆性之間的關(guān)系。通過考慮枝晶的外部濃度分布和自身結(jié)構(gòu)異質(zhì)性闡明了“死鋅”形成機(jī)制。相對(duì)于頂部枝晶，底部枝晶附近由于具有較低的離子濃度表現(xiàn)出較高的溶解速率。此外，枝晶內(nèi)部不同晶粒的取向差異也會(huì)導(dǎo)致局部溶解速率不同，進(jìn)一步加劇枝晶的不均勻溶解，最終導(dǎo)致枝晶斷裂和“死鋅”形成。這一發(fā)現(xiàn)為抑制“死鋅”形成和提高鋅電極可逆性提供了理論依據(jù)。

圖2“死鋅”形成機(jī)理

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過外延生長(zhǎng)構(gòu)建了具有擇優(yōu)取向的鋅電極，顯著抑制了溶解不均勻性，提升了鋅電極的可逆性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與具有任意取向的鋅電極相比，具有擇優(yōu)取向的鋅電極在對(duì)稱電池中展現(xiàn)出超過46%的循環(huán)壽命提升。這一成果為改善鋅電極的可逆性提供了新思路，并有望推廣到其他金屬電極的研究中。

本文的通訊作者為我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系談鵬特任教授，共同通訊作者為何義博士，第一作者為我校博士研究生趙忠喜。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（博士研究生）、國(guó)家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目和中國(guó)科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助。特別感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心付圣權(quán)老師對(duì)本研究表征工作的支持。