水系锌电池（AZBs）因其固有的安全性、环境友好性、低成本和高能量密度，被认为是电网储能的理想选择。锌金属具有高达820 mAh g⁻¹和5855 mAh cm⁻³的理论比容量，且具有较低的氧化还原电位，被认为是一种优异的负极材料。然而，在长期循环过程中，锌电极的不可逆电溶解和沉积会导致不可控的枝晶生长，严重阻碍了该技术的实施。
近日，中国科学技术大学谈鹏、He Yi团队利用具有纳米级粗糙度的精细抛光锌箔，全面探究了锌电极的电溶解行为及其对不可逆性的影响。由于目前商业化的水系锌电池大多基于碱性体系（如锌-镍、锌-银、锌空气），本研究以碱性体系为例展开研究，其结果也可为中性及弱酸性体系提供指导。首先，研究人员在微观水平上探究了不同电流密度下的电溶解路径，结果表明，随着电流密度的增加，电溶解行为从“点溶解”转变为“线溶解”，最终演变为“表面溶解”，呈现出从点到线再到面的行为转变以及从零维到一维再到二维的维度跃迁。同时，研究人员定量分析了在不同电流密度和容量下溶解区域比例和深度的变化。接着，结合理论计算和实验测试，揭示了晶面优先溶解的机制，其顺序从最易溶解到最不易溶解依次为（110）、（101）、（103）、（102）、（100）和（002）。进一步地，基于对电溶解行为和机制的理解，研究人员研究了锌电极在循环过程中的空间和容量不可逆性。通过结合形貌观察和电化学-质量传输耦合建模，阐明了电溶解对后续沉积过程的影响以及“死锌”形成的机制。最后，作为概念验证，研究人员通过外延生长构建了具有特定取向的锌电极，实现了均匀溶解并提高了可逆性。本研究为理解锌电极的不可逆性提供了新的视角，并为其他先进电池中的金属电极研究建立了框架。
该成果以“Electrodissolution-driven enhancement in Zn electrode reversibility”为题发表在“Science Bulletin”期刊，第一作者是Zhao Zhongxi。
改善锌电极可逆性的策略：通过外延生长构建具有特定取向的锌电极（P-Zn），可以显著抑制电溶解的不均匀性，从而减少“死锌”的形成，提高锌电极的可逆性。实验结果表明，与具有随机取向的锌电极（R-Zn）相比，P-Zn电极在对称电池中展现出超过46%的循环寿命提升。
(j−l) 在电流密度分别为 (j) 0.1 mA cm⁻²、(k) 1 mA cm⁻² 和 (l) 5 mA cm⁻² 时，溶解区域占总电极面积的比例（p）。
(m−o) 在容量为 0.5 mAh cm⁻² 时，电流密度分别为 (m) 0.1 mA cm⁻²、(n) 1 mA cm⁻² 和 (o) 5 mA cm⁻² 的激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像及截面曲线。
(p) 在容量为 0.5 mAh cm⁻² 时，不同电流密度下的深度分析。
(q) 不同电流密度下电溶解机制示意图。
(c) 锌金属不同晶面的表面能量。
(d−f) 不同取向单晶的 (d−f) 反极图（IPF mapping）和X射线衍射（XRD）。
(g−i) 不同取向单晶的SEM（灰色背景）和原子力显微镜（AFM）图像，其中Ra为粗糙度参数。
(j) 不同取向单晶的线性极化曲线。
(b−d) 在电流密度分别为 0.1 mA cm⁻²（b）、1 mA cm⁻²（c）和 5 mA cm⁻²（d）时，经过等容量（0.5 mAh cm⁻²）电溶解和沉积后的SEM图像及示意图。
(e) 锌电极表面异质性的示意图，其中i表示电极不同区域的电化学反应速率。
(f) 锌酸根离子浓度分布云图。
(g) 局部电流密度分布云图。
(h) 不同位置的浓度随时间变化图。
(i) 不同位置的局部电流密度随时间变化图。
(j) 浓度和局部电流密度的标准差（SD）。
(d) 循环后残余锌的示意图。
(e) 浓度分布云图。
(f) 电极宽度变化云图。
(g) 枝晶顶部和底部浓度变化随时间的序列图。
(h) 枝晶顶部和底部宽度变化随时间的序列图。
(i) 枝晶顶部和底部浓度差（Δc）和宽度变化差（Δh）随时间的序列图。
(j) 由于晶面溶解差异导致“死锌”形成的示意图，其中k表示晶面的溶解速率。
(k) 由于晶体取向、浓度分布和几何结构共同作用导致“死锌”形成的示意图。
(c−f) 经过首次电溶解后的 (c, e) R-Zn和 (d, f) P-Zn电极的SEM和LSCM图像。
(g, h) 在电流密度为 1 mA cm⁻²、放电深度（DOD）为 25% 的条件下，(g) R-Zn//Zn和 (h) P-Zn//Zn非对称电池的长期电溶解和沉积的电压曲线。
(i−k) (i) R-Zn//Zn和 (j) P-Zn//Zn非对称电池的第1、50、100和137次循环的电压-容量曲线，以及 (k) 对应的中位电压和终止电压。
本研究通过结合形貌表征、电化学测试和跨尺度模拟，全面阐释了锌电极的电溶解行为及其对不可逆性的影响。首先，在微观水平上深入探究了不同电流密度下的电溶解特性，结果表明，随着电流密度的增加，电溶解行为从“点溶解”转变为“线溶解”，最终演变为“表面溶解”，呈现出从点到线再到面的行为转变以及从零维（0D）到一维（1D）再到二维（2D）的维度跃迁。同时，进一步定量分析了不同电流密度和容量下溶解区域占总电极面积的比例（p）。在中等和高电流密度下的最小容量对应的 p 值大于低和中等电流密度下的最大容量对应的 p 值，表明电溶解特性对电流密度比对容量更为敏感。此外，在最苛刻的电溶解条件下，仍有近一半的晶面保持“惰性”，显示出多晶不同晶面之间强烈的面选择性电溶解特性。进一步结合多晶的EBSD表征、DFT计算以及单晶的电化学测试，揭示了不同晶面之间的溶解差异，其顺序从最易溶解到最不易溶解依次为：(110)、(101)、(103)、(102)、(100)和(002)。
基于揭示的电溶解机制，深入研究了电溶解对后续沉积过程和不可逆性的影响。形貌表征显示，锌沉积强烈依赖于电溶解形成的“孔洞”、“间隙”和“凹坑”，且无法完全修复上述缺陷，表现出空间不可逆性。耦合电化学和质量传输模型揭示了电溶解形成的缺陷区域附近的离子浓度和局部电流密度显著升高，这些因素随后决定了沉积过程中的成核和生长位点。进一步阐明了“死锌”形成的机制，强调晶体取向、几何结构和浓度分布显著影响枝晶的电溶解行为，不均匀的溶解导致枝晶断裂和锌电极不可逆的容量损失。最后，通过构建具有特定取向的电极作为概念验证，通过抑制溶解差异来提高锌的可逆性，从而在半电池和全电池中实现了更长的循环性能。总之，本研究为认识锌不可逆性的起源提供了全新的视角，并可扩展到其他金属电极的研究。
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