王海燕/邵敏华/张旗Small: 揭示锌负极上锌枝晶形成的二维表面扩散机理

水系锌离子电池由于其高安全性、成本效益和具有竞争力的电化学性能，被认为是用于大规模储能系统的有前途的装置之一。然而，锌金属负极上的枝晶生长极大地阻碍了其进一步的实际应用，枝晶演化的内部机制仍不清楚，在负极界面引入保护层是避免锌枝晶生长的有效方法。

在此，中南大学王海燕教授、张旗及香港科技大学邵敏华教授等人提出了一种二维 (2D) 原子表面扩散机制，以揭示锌沉积在不均匀电场和离子场下从微小突起到枝晶的演变。

作者通过简单且可扩展的磁控溅射方法制造了具有超薄电子导电氮化铜保护层 (CN-Zn) 的锌负极，通过理论模拟和各种原位/非原位技术对有和没有氮化铜 (CN) 涂层的锌表面的锌沉积行为进行了很好的研究。结果表明，二维 (2D) 原子扩散机制在诱导锌枝晶的形成中起着至关重要的作用。

图1. 通过磁控溅射制备CN保护层的示意图及表征

该CN保护层对锌原子迁移具有高锌亲和力和高扩散势垒，导致宽敞的成核和均匀的锌沉积，从而显著提高了电化学稳定性，带有保护层的锌负极可以在低极化（27.9 mV）的对称电池中稳定循环800小时。通过有限元模拟、原位光学显微镜观察和电化学测试进一步验证了有限的2D原子扩散能有效地抑制Zn枝晶的形成。

本研究首次揭示了受限的二维原子表面扩散机制在抑制锌微小突起的形成中的作用，所提出的2D原子在表面的受限扩散机制为活性金属负极界面改性和抑制枝晶生长提供了新的思路。

图2. 锌枝晶形成机制及原位光学显微镜观察

Revealing the Two-Dimensional Surface Diffusion Mechanism for Zinc Dendrite Formation on Zinc Anode, Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202104148

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