1. 研究背景
水系锌电池因其高安全性、低成本、环保以及简便的制造工艺等优势被认为是一项极具应用前景的新型储能技术。然而，锌负极面临枝晶生长、析氢副反应和腐蚀等问题导致电池短路、容量损失、寿命降低，严重限制了水系锌电池的实际应用。为解决这些问题，设计以（002）晶面为主导织构的锌负极被认为是最有效的策略之一。这是由于（002）晶面具有较低的活性，能够有效抑制副反应。同时，（002）织构锌负极能够诱导锌离子水平外延生长，从而抑制枝晶的形成。
迄今为止，获得（002）主导织构锌负极的方法主要包括：（1）开发特定基底。通过基底与Zn之间适当的晶格失配诱导（002）取向的外延电沉积；（2）优化电解液。通过调控锌的优先取向生长以暴露更多的（002）晶面；（3）重塑商业锌箔。采用辊压塑性变形或热处理等方法直接重塑商业锌箔，使其呈现（002）晶面取向等。此前，南京邮电大学马延文教授、赵进教授团队报道了通过晶粒调控辅助辊压法（ACS Energy Lett. 2022, 7, 3564-3571）和快速熔融-凝固法（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401507）实现了超强和单一（002）织构锌金属负极制备。尽管在锌织构调控方面取得了显著进展，但金属晶界的影响常常被忽视。从微观角度来看，晶界区域的反应活性要高于晶内区域，导致晶界处容易发生优先锌沉积及副反应（如析氢和腐蚀），显著降低锌负极的稳定性。因此，解决晶界问题对于提升（002）织构锌负极的电化学性能至关重要。
2. 文章概述
近日，马延文教授、赵进教授团队联合南京大学王学斌教授团队基于晶间润湿原理，提出了一种新策略，用于修饰（002）织构锌的晶间区域。通过简单的热处理方法，将金属铟作为晶界填料填充于锌晶粒间，同时将初始的随机织构转化为单一的（002）织构。所得到的晶界修饰（002）织构锌负极（IM(002) Zn）实现了均匀的外延锌沉积，并显著抑制了晶间副反应的发生。该研究有效解决了（002）织构锌负极的晶间副反应问题，为稳定锌金属负极的设计提供了新的思路，推动了高性能水系锌电池的发展。
3. 图文导读
图1. IM(002) Zn负极的特性。
通过晶间修饰策略，完全填充和保护了（002）织构锌金属负极的晶界区域。
图2. IM(002) Zn负极的抗腐蚀性能。
晶界填充后的（002）织构锌负极具有优异的抗腐蚀与抑制析氢副反应的能力。
图3. IM(002) Zn负极的枝晶抑制能力。
IM(002) Zn可以诱导锌离子在表面均匀致密的外延生长，可以有效抑制枝晶生成。
图4. IM(002) Zn负极的电化学性能。
与普通Zn箔相比，采用IM(002) Zn组装的对称电池展现出更为优异的性能。并且与其它有关（002）织构锌的研究工作相比，IM(002) Zn也表现出了更加出色的性能。
图5. 基于IM(002) Zn负极组装的全电池性能。
IM(002) Zn在Zn-MnO2和Zn-C两种全电池体系下，均显示出了优异的性能，充分证明了其良好的实际应用潜力。
4. 结论
本研究展示了一种新型（002）织构锌金属负极，能够有效抑制晶间副反应。在这一创新设计中，金属铟被用作晶界填料，填充（002）织构锌的晶间区域，通过一次热处理即可同时实现织构调控和晶界修饰。研究深入探讨了铟填充锌晶界的机制，并优化了实验条件。与已报道的锌负极织构调控策略相比，本研究不仅解决了晶间副反应的问题，同时实现了单一的（002）Zn织构，有效抑制了锌枝晶的形成。因此，这种（002）织构锌金属负极在Zn-Zn、Zn-Cu、Zn-MnO2和Zn-C等多种电池体系中表现出了卓越的稳定性。特别值得一提的是，基于IM(002) Zn负极的对称电池，在10 mA cm−2的高电流密度下，达到了12.2 Ah cm−2的累积沉积容量，优于其他文献报道。并在Zn||MnO2全电池中也同样表现出优异的性能(在0.5 A g–1和1 A g–1 下循环500次后，均表现出90%以上的容量保持率)。这一研究为未来（002）织构锌和实用锌电池的设计提供了全新的思路，同时也为其他金属负极（如Li、Na）、金属加工及耐腐蚀金属领域的设计提供了创新的灵感。
论文信息：
Grain Boundary Filling Empowers (002)-Textured Zn Metal Anodes with Superior Stability
Zibo Chen, Yizhou Wang, Qiang Wu, Cheng Wang, Qian He, Tao Hu, Xuran Han, Jialu Chen, Yu Zhang, Jianyu Chen, Lijun Yang, Xuebin Wang*, Yanwen Ma*, Jin Zhao*
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202411004
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Advanced Materials
期刊简介
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