叶志镇院士/黄靖云EnSM：离子抽运与原子锚定协同实现无枝晶锌负极

尽管水系锌离子电池（AZIBs）具有高理论容量、低成本和在大规模储能中的固有安全性等优势，但其实际应用一直受到锌负极枝晶生长和副反应的限制。

在此，浙江大学叶志镇院士、黄靖云教授及汪洋等人通过将裸露的Zn箔浸入含有四氰基醌二甲烷（TCNQ）的DMF溶液中对Zn原位界面进行蚀刻，从而制备了具有更多Zn（101）平面暴露的TCNQ^2-改性Zn负极（TCNQ@Zn）。

研究表明，裸Zn沉积过程中的随机扩散很普遍，因此Zn原子在成核过程中会发生团聚，最终导致Zn枝晶的形成。相反，TCNQ@Zn负极可通过氰基（-CN）与Zn²⁺的有效相互作用重新分配界面Zn²⁺通量，从而降低去溶剂化势垒以增加暴露（101）平面上Zn原子的成核密度。此外，与Zn（002）相比，TCNQ@Zn（101）对Zn原子有较强的锚定作用，从而可限制Zn原子在（101）面上的二维扩散并促进沿（002）平面的三维扩散。最终形成规则的近垂直Zn（002）平面阵列，以抑制Zn枝晶的生长。

图1. 镀锌阵列形成诱导机理分析

得益于上述特性，改性TCNQ@Zn负极可在5 mA cm^-2/10 mA cm^-2和1 mAh cm^-2 下循环超过2000小时，具有稳定且较小的电压滞后和成核过电位。而裸锌负极在150小时内最终出现巨大的电压波动和短路，这是由于Zn枝晶刺穿了膜。此外，TCNQ@Cu||Zn半电池在1 mA cm^-2、1 mAh cm^-2时可在超过210个循环中提供高于99.2% 的平均CE，而Cu||Zn电池的CE在35个循环后由于死Zn和枝晶的连续形成而遭受剧烈衰减。

重要的是，TCNQ@Zn||α-MnO₂全电池具有优异的倍率容量和超过1000次循环的寿命，容量衰减率仅为0.03%，与裸Zn||α-MnO₂电池的较差性能形成鲜明对比（仅能循环400次且容量衰减率为0.3%）。总之，这项研究表明离子抽运和原子锚定的协同效应促进了高性能AZIBs的实现，并为无枝晶锌负极的设计提供了新的见解。

图2. TCNQ@Zn||α-MnO₂全电池性能

Ion pumping synergy with atomic anchoring for dendrite-free Zn anodes, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.07.010

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