近日，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院李金成副教授與清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授合作，在高性能鋅基水系電池研究方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Artificial Protrusion Architectures Enabling Horizontal-Diffusion Nucleation for Stable Zinc-Based Batteries”為題發(fā)表在化學(xué)頂級期刊Journal of the American Chemical Society上。

鋅基水系電池因其高安全性、適中能量密度、資源豐富及環(huán)境友好等優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能與便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，其規(guī)模化應(yīng)用主要受限于鋅負(fù)極枝晶生長的巨大挑戰(zhàn)。在鋅的沉積/剝離過程中，由于電場分布不均和成核無序，極易誘發(fā)枝晶生長和界面失效，從而導(dǎo)致電池短路與性能快速衰減。因此，如何構(gòu)建一種既能有效抑制枝晶生長，又兼具高穩(wěn)定性與低成本的鋅負(fù)極結(jié)構(gòu)策略，已成為當(dāng)前亟待突破的重要科學(xué)問題。

基于此，本研究提出了一種新穎的人工突起策略，用于構(gòu)筑無粘結(jié)劑的鋅基復(fù)合負(fù)極。該策略通過將鋅粉機械壓制到具有高親鋅性的錫基底上，形成預(yù)設(shè)的三維突起結(jié)構(gòu)，突起作為電子捕獲位點，引導(dǎo) Zn2+ 離子優(yōu)先在鋅粉顆粒上獲得電子，并進一步在能量更有利的錫金屬表面實現(xiàn)成核與生長。這一過程促進了橫向擴散主導(dǎo)的成核機制，有效引導(dǎo)后續(xù)晶核的均勻沉積。采用該策略制備的無枝晶鋅負(fù)極使鋅對稱電池在紐扣電池結(jié)構(gòu)下循環(huán)壽命延長至近5000小時，而在安時級對稱軟包電池中亦實現(xiàn)了800小時的循環(huán)穩(wěn)定性。基于該策略構(gòu)建的Zn–I2與Zn–MnO2軟包電池分別在3000小時循環(huán)中實現(xiàn) 480 mAh 的容量，以及在多次循環(huán)中保持 1.8 Ah 的穩(wěn)定輸出。此外，通過有限元模擬與電化學(xué)測試揭示了人工突起在調(diào)控鋅成核與生長過程中的關(guān)鍵作用。本研究為解決金屬負(fù)極電池中的枝晶問題提供了一種極具前景的方案，為其未來的可持續(xù)發(fā)展與商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

論文的第一作者為昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院碩士研究生肖志強，通訊作者為昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院李金成副教授和清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金與廣東省自然科學(xué)基金項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c11951