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文 章 信 息
第一作者：郭志坤、刘泽平
通讯作者：张宇*，张乃庆*
单位：哈尔滨工业大学
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研 究 背 景
基于锌金属负极的水系锌离子电池是近年来二次电池领域的研究热点。枝晶问题是限制锌负极循环稳定的关键难题。先前的研究主要集中在具有特定晶体表面形态的锌生长，例如（002）和（101）平面。虽然这种生长方式在一定程度上抑制了枝晶，但它并没有改变锌晶体结构固有的各向异性。与片状形态不同，球形生长方式可以有效地避免由于片状随机堆积而产生的枝晶问题，同时保持电极上活性材料堆积的高密度，提高电池的比能量。因此，如何实现具有球形形貌的锌沉积对于解决锌枝晶问题具有重要意义。
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文 章 简 介
近日，来自哈尔滨工业大学的张乃庆教授团队，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Biomineralization Inspired the Construction of Dense Spherical Stacks for Dendrite-Free Zinc Anodes”的研究文章。该文章改变了金属锌各向异性生长的模式，并提出调控不同晶面的相对生长速度策略，实现了致密球形堆积的沉积方式。本文促进了对金属负极生长行为的理解，并促进了未来基于金属负极的高能电池的发展。
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本 文 要 点
要点一：球形沉积不受衬底以及电流影响
普通电解液表现出常见的枝晶片形式，尖锐部分极易导致电池短路。通过SF调控后，锌的生长表现出均匀、致密的堆积形式，不受电流密度与衬底的影响，从根本上改变了锌的生长方式。
图1 |锌沉积的形貌和晶体结构表征。a，未添加rSF的锌沉积的低分辨率SEM图片。b，未添加rSF的锌沉积的高分辨率SEM图片。c，添加rSF后Zn沉积的低分辨率SEM图。d，添加rSF后Zn沉积的高分辨率SEM图片。e，在不添加rSF的情况下，Zn沉积形貌随电流密度增大而增大。f，随着rSF的加入，Zn沉积形貌随电流密度的增大而增大。
要点二：球形沉积机理分析
实验结果与理论计算表明，SF分子对锌的高指数晶面展现出显著的封闭效应，这一特性有助于促进这些晶面的更多暴露。通过调节不同晶面间的相对生长速率，有效地引导锌晶体朝着球形生长的方向发展。
图2 |锌沉积机理分析。a，锌对称电池的塔菲尔曲线。b、无rSF时Zn/Cu电池的循环伏安曲线。c，有和没有rSF时的锌成核过电位。d、rSF在不同金属锌晶面上的吸附能比较。e，未添加rSF高分辨率TEM。f，不添加rSF选择电子衍射。g、增加rSF高分辨率TEM。h，加入rSF选择性电子衍射。1、锌晶面生长与暴露示意图。j、锌沉积示意图。k，锌片沉积界面电流密度分布。l、锌球形沉积分布界面处的电流密度。
要点三：稳定的电化学性能
在不同电流密度下，电池均展示出稳定的电化学性能。
图3 |锌负极电极的电化学性能。a、1mA cm-2、1mAh cm-2时的电压-时间曲线。b， 5 mA cm-2、1 mAh cm-2时的库仑效率。c，不同电流密度下rSF的电压-时间曲线。d，不同电流密度下无rSF的电压-时间曲线。e、长周期性能。f、速率性能。
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文 章 链 接
“Biomineralization Inspired the Construction of Dense Spherical Stacks for Dendrite-Free Zinc Anodes”
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03749
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通 讯 作 者 简 介
张乃庆，哈尔滨工业大学长聘教授/博导，英国皇家化学会会士（FRSC），国际电化学能源科学院 (IAOEES) 理事，黑龙江省杰出青年基金获得者。长期从事新能源储存与转换材料、器件及系统集成研究工作，研究方向包括锂二次动力电池、水系锌离子电池、 燃料电池等。在Nature Communications 、 Energy & Environment Science 、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、ACS Nano、Energy Storage Materials、Nano Energy等多个国际高水平期刊发表SCI论文200余篇。
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团 队 介 绍
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