支春义Nature子刊：10000次循环，水系Zn电池！

水系锌金属电池是具有成本效益的储能系统的可行候选者。然而，电池的循环寿命受到金属电极表面在长时间循环后的形态演变的不利影响。以前的研究集中在锌金属负极（ZMA）的电镀行为上，而没有考虑其初始剥离过程。

图1. 电镀和剥离之间差异的示意图

为深入了解ZMA的剥离/电镀行为，香港城市大学支春义教授等人对同一对称电池中初始剥离锌电极（S-Zn）和初始镀锌电极（P-Zn）两个独立电极的时间-电压分布进行了解耦和单独监测。进一步，作者将形态演变与电压响应联系起来并提供了对电压-时间曲线的深入见解。通过结合电化学和光学显微镜测量研究，作者证明锌负极的稳定性不仅受运行条件的影响，还受初始剥离/电镀的影响。其中，P-Zn电极在随后的循环中表现出更均匀的形态。相反，S-Zn电极在凹坑位置形成了严重的枝晶。

SEM结果表明，S-Zn和P-Zn的不同行为的根本原因是初始剥离或电镀引起了与原始Zn不同的形态演变：S-Zn的初始剥离过程导致裂纹的形成，从而引发裂纹中的Zn枝晶生长；而由于产生了均匀的层状结构，P-Zn 的初始电镀导致后续相对均匀的电镀行为。

图2. 剥离或电镀后Zn金属电极的非原位显微镜研究

基于以上观察，作者提出了一种“预沉积”策略来减轻枝晶的形成。通过对ZMA 表面进行均匀的预沉积处理，由于与初始沉积层的相互作用，预沉积锌负极（PD-Zn）在随后的循环中获得了均匀的剥离/电镀过程。当电流密度为5 mA cm^-2时，裸Zn||Zn电池在电压降和短路之前显示出大约300小时的短寿命，而 PD-Zn||PD-Zn电池的使用寿命超过1000小时。

此外，当MnO₂正极的质量负载为5.6 mg cm^-2时，PD-Zn||MnO₂电池在1 A g^-1下2000圈循环内没有观察到短路。甚至，PD-Zn||C电池的寿命也超过了10000次循环。总之，这项工作提供了对锌负极的初始剥离和电镀的深入了解，证明了二者在枝晶形成方面的同等重要性。作者希望这项工作可作为一个起点，以激发研究金属负剥离过程的热情。

图3. 水系Zn||MnO₂纽扣电池的电化学表征

Tailoring the metal electrode morphology via electrochemical protocol optimization for long-lasting aqueous zinc batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-31461-7

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