王海燕/张旗EnSM: 电化学界面重建以消除无枝晶锌负极的表面异质性

金属锌负极由于其高理论容量和低成本而引起了对水系可充电电池的日益关注。然而，锌负极的实际应用受到不可抑制的枝晶生长导致的低库仑效率的限制。

在此，中南大学王海燕教授、张旗等人在更广泛的电流密度范围内系统地研究了锌的沉积和溶解行为，并基于实验观察和理论模拟发现表面不均匀性是锌枝晶形成的关键原因之一。

然后，作者提出了一种简便的界面重建方法，通过高电流密度下的电化学剥离活化来消除表面异质性。表面重建的锌负极（R-Zn）暴露出均匀且高活性的内表面，具有均匀的锌沉积和溶解能垒，从而使后续的镀/剥离反应发生在整个锌表面，而不是在低电流密度下的局部区域。使用原位光学显微镜观察来证明R-Zn负极的均匀成核和生长行为，由于锌在均质表面上的均匀沉积，R-Zn负极上的锌沉积表现出光滑的形态，而有关锌物质吸附没有明显的能垒差异。

图1. 界面异质性引起的锌枝晶生长机制及光学显微镜观察

因此，基于R-Zn负极的对称电池可以稳定运行1200小时，远优于未处理的原始锌负极（113小时）。R-Zn负极与NH₄V₄O₁₀正极耦合组装的锌离子全电池在1000次循环后提供178 mAh g^-1的可逆容量，对应的容量保持率为 93%（基于原始锌负极的全电池容量保持率仅为72%）。

此外，这种电剥离活化方法可以在优化的电流密度下使用，还可以通过对新鲜电容器的一步放电操作直接应用于锌离子混合电容器。电化学测试表明，这种电化学活化锌离子混合电容器在1000 mA g^-1下循环 8000次后表现出优异的可循环性和96% 的容量保持率。总之，这种抑制枝晶的简单而经济的策略可以扩展到其他金属电极，以开发下一代低成本和高能量密度的电池。

图2. 锌离子全电池及混合电容器的电化学性能

Electrochemical interface reconstruction to eliminate surface heterogeneity for dendrite-free zinc anodes, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.02.022