7月1日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院張笑談特任副研究員在《Nature Communications》上發(fā)表題目為“Uniaxially oriented zinc metal negative electrodes toward spontaneous dislocation-free homoepitaxy”的研究論文。

根據(jù)Gibbs-Curie-Wulff平衡形貌理論，晶面的生長(zhǎng)速率與其單位表面能成正比：表面能較低的晶面生長(zhǎng)緩慢且更易暴露。因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，通過優(yōu)先暴露低表面能密排晶面（如BCC-Li(110)、FCC-Al(111)和HCP-Zn(0002)）可有效抑制副反應(yīng)，構(gòu)筑高可逆金屬負(fù)極。然而，最新研究發(fā)現(xiàn)，具有高表面能晶面（如Li(002)、Zn(1010)）的金屬負(fù)極同樣能夠?qū)崿F(xiàn)均勻沉積，顛覆了“低表面能優(yōu)先”設(shè)計(jì)原則，原因在于：雖然低表面能晶面有助于減少副反應(yīng)，但其緩慢的沉積速率和較大的剝離能壘反而限制了循環(huán)穩(wěn)定性。因此，迫切需要從原子尺度深入探究強(qiáng)織構(gòu)金屬負(fù)極的電沉積行為，并重新制定織構(gòu)調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)。

Zn(1120)金屬負(fù)極沿生長(zhǎng)方向?qū)崿F(xiàn)自發(fā)、無位錯(cuò)的同質(zhì)外延生長(zhǎng)

本研究創(chuàng)新性地選取高表面能的Zn(1120)晶面，構(gòu)筑了單一取向的鋅金屬負(fù)極，并系統(tǒng)探究了其沉積行為與電化學(xué)可逆性。結(jié)合球差校正掃描透射電鏡（STEM）表征，首次在電沉積界面直觀地觀察到：沉積鋅沿[1120]方向與基底實(shí)現(xiàn)零晶格失配的無位錯(cuò)共格外延。所組裝的Zn||NH4V4O10全電池能穩(wěn)定循環(huán)2600圈，容量保持率高達(dá)94.7%。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該單一晶體取向的設(shè)計(jì)理念拓展至其他晶面取向的鋅金屬負(fù)極，系統(tǒng)分析了不同晶面取向下的沉積動(dòng)力學(xué)與晶界網(wǎng)絡(luò)特征。結(jié)果表明，單一取向金屬負(fù)極因其晶粒具有均一的生長(zhǎng)速率、有序的原子結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的晶界穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)自發(fā)的、無位錯(cuò)的同質(zhì)外延生長(zhǎng)。

中國(guó)科大蘇州高研院特任副研究員張笑談為論文第一作者，通訊作者為遼寧材料實(shí)驗(yàn)室李冏晛博士和中南大學(xué)周江教授，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院仿生界面材料科學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位。該工作還得到了江蘇省自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60797-z