定向锌（Zn）电沉积对水系锌金属电池的长期性能至关重要，然而锌阳极和电解质之间复杂的界面反应阻碍了对锌金属沉积的全面理解。
2024年11月16日，浙江大学陆俊教授/徐云凯博士、北京化工大学陈仕谋教授/邱介山教授团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Crystallographic Reorientation Induced by Gradient Solid‐Electrolyte Interphase for Highly Stable Zinc Anode”的研究论文，团队成员Zhao Ming、Lv Yanqun为论文共同第一作者，徐云凯博士、邱介山教授、陆俊教授、陈仕谋教授为论文共同通讯作者。
该研究阐明了锌沉积的反应途径，并报道了由梯度固态电解质界面相（SEI）诱导的锌单晶核的优先形成以及随后致密锌（002）沉积。由丰富的B-O和C物种组成的梯度SEI促进了更快的Zn2+成核速率和更小的核尺寸，促进了Zn单晶核的形成。此外，SEI的均匀性和机械稳定性确保了Zn阳极从Zn（101）面到（002）面的晶体学重新定向，在Zn2+剥离/电镀过程中有效地抑制了枝晶生长和金属腐蚀。这些优点显著提高了锌阳极的稳定性，如对称锌电池的循环寿命延长和Zn//Cu非对称电池5000次循环的出色可逆性（>99.5%）证明了这一点。值得注意的是，该策略还使无阳极Zn//I2电池能够稳定运行，其寿命长达3000次循环。该研究推进了对锌电化学行为的理解，包括锌成核、生长和Zn2+剥离/电镀。
DOI：10.1002/adma.202412667
该研究跟踪了从去溶剂化的Zn2+到平面锌沉积物的反应路径，并揭示了固体电解质界面（SEI）、锌成核生长以及后续的剥离/电镀行为之间的内在联系。三（2-氰乙基）硼酸酯（TCB）被用作电解质添加剂，以重构Zn2+的溶剂化壳并降低水的活性，促进 Zn2+的去溶剂化和快速传输。此外，TCB分子演变成由丰富的B-O 和C物质组成的梯度SEI，从而产生均匀的锌离子通量和电场，以诱导Zn (002) 单晶核以及随后的良好定向沉积。这种梯度SEI表现出优异的均匀性和机械稳定性，在Zn2+的剥离/电镀过程中，能有效地诱导锌阳极从Zn (101)面到Zn(002)面的连续晶体定向，并抑制不利的枝晶生长和副反应。因此，这种添加剂演变策略实现了出色的性能：在Zn//Cu非对称电池中具有99.5%的高可逆Zn2+电镀/剥离库仑效率；在对称锌电池中具1200小时的长期循环稳定性、在40mA/cm²下的优越倍率性能，放电深度（DOD）高达57.0%；在具有7 - 9mg/cm²高负载质量的锌/碘电池中具有6000次循环的长寿命。值得注意的是，在低N/P比为1.5的无阳极锌/碘电池中具有3000次循环的超长寿命进一步证实了其优点，完全满足全电池的商业制造条件。
总之，该研究追踪了从溶剂化的Zn2+到形成平面Zn沉积物的反应路径，并研究了SEI特性、Zn成核生长以及后续的剥离/电镀之间的内在联系。TCB添加剂可以重塑H2O分子的氢键网络和Zn2+溶剂化结构，从而降低析氢反应活性并促进快速的Zn2+去溶剂化。在阳极/电解质界面，TCB分子演变成富含B-O和C成分的梯度SEI，这使Zn2+通量和电场均匀化，以引导快速的单晶核以及随后定向良好的Zn沉积。此外，具有出色的电均匀性和机械性能的梯度SEI在Zn2+剥离/电镀过程中有效地诱导Zn阳极从（101）面到（002）面的连续晶体学重新定向。得益于上述优点，Zn阳极表现出卓越的循环稳定性，在40 mA cm−2的超高电流下，Zn利用率高达57.0%，并具有优异倍率性能，在大电流和高负载下，Zn//I2电池还具有6000次的超长循环寿命。值得注意的是，实用的无阳极 Zn//I2电池可以良好运行，具有3000次的长寿命。该研究提出了一种调节Zn成核和生长以及后续剥离/电镀行为的方法，这为实用的AZMBs和其他电池系统的发展提供了巨大潜力。
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