​中南/南大EES: 选择性刻蚀高活性 (002) Zn 面可实现高效水系锌金属电池

锌金属水溶液电池（AZMB）具有安全性高、容量大、环保、价格低廉等优点，在未来全球电气化进程中具有广阔的应用前景。然而，锌（Zn）在水溶液电解质中的高反应活性会导致枝晶生长、水引发的副反应，进而导致锌的稳定性差、可逆性差，极大地限制了 AZMB 的实际应用。

在此，中南大学常智，潘安强、南京大学周豪慎等人通过选择性蚀刻普通锌箔中的活性（002）锌面，可以有效地钝化锌金属，从而抑制锌枝晶的形成和水引发的副产物，最终显著提高锌金属的稳定性和可逆性。因此，在4500 次的超长循环过程中，即使在 10 mA cm^-2 的侵蚀条件下，刻蚀锌的平均库仑效率（CE）也提高到了 99.94% 的高水平。

基于刻蚀锌的 NH₄V₄O₁₀//Zn 软包电池的比容量高达 317.3 mAh g^-1，即使在循环 350 次后仍能保持 85.2% 的容量。此外，一种更实用的 0.124 Ah NH₄V₄O₁₀//Zn 软包电池在循环 80 次后仍能保持 91.23% 的高容量。

图1. 选择性刻蚀裸锌箔中存在的 (002) Zn 的重要性

总之，该工作避免了构建具有高比例（002）Zn 晶面和/或具有强（002）织构的各种 Zn 金属的常见策略，创新性地在原始 Zn 金属中选择性地蚀刻掉化学性质不稳定的（002）Zn 面，从而实现了 Zn 金属的化学钝化。研究表明，蚀刻后的 Zn 具有独特的结构，具有规则垂直排列的 Zn 柱，能有效抑制 ZHS 在水系电解液中的生长，促进锌离子沿着垂直的 Zn 柱成核和生长，从而彻底消除 Zn 枝晶，提高金属锌负极的可逆性和使用寿命。因此，基于刻蚀锌的锌/铜电池实现了超长的循环寿命，在 10 mA cm^-2的条件下，循环次数超过 4500 次，平均 CE 值高达 99.94%。此外，基于蚀刻锌的 PANI-V₂O₅//Zn (PVO//Zn) 电池在超长的 2000 次循环中实现了超稳定的循环性能。

基于刻蚀锌的NH₄V₄O₁₀//Zn （NVO//Zn）软包电池的比容量高达 317.3 mAh g^-1，即使在循环 350 次后仍能保持 85.2% 的容量。更实用的 NVO//Zn 软包电池输出容量高达 0.124 Ah，80 次循环后容量保持率为 91.23%。因此，该项工作展示的策略将为提高锌金属的稳定性和可逆性打开一扇新的大门，并加速 AZMB 的商业化进程。

图2. 基于刻蚀锌金属的水基锌金属电池的电化学性能

Selectively Etching-off Highly Reactive (002) Zn Facet Enable Highly Efficient Aqueous Zinc-metal Batteries，Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee02522e