来源：水系能源

全文摘要

表面优选(002)晶面的锌沉积由于其抑制枝晶生长和副反应而引起了广泛的关注。然而，Zn(002)晶面的形核和生长与界面性能密切相关。在此，南开大学李福军教授&温州大学侴术雷教授团队通过原位原子力显微镜在Ag修饰的表面上实现了Zn(002)晶面的定向生长。在镀银锌箔(Zn@Ag)上形成固溶体HCP-Zn，并具有与Zn相同的晶体结构，减少了因晶格错配引起的成核屏障。它具有取向锌沉积和表面耐腐蚀的优点，在对称电池和与V2O5阴极耦合的全电池中具有长循环稳定性。这项工作为高性能水系锌金属电池的锌阳极界面调节提供了见解。

图文速递

图1：底物的亲锌性

(a)Zn-Al、Zn-Au和Zn-Ag的相图。Al/Ag溶解在Zn中称为HCP-Zn。FCC、BCC和HCP分别缺少面心立方、体心立方和六边形密堆积。(b)锌原子在衬底上的结合能。(c)40 μA cm-2时基底上Zn沉积的电压分布图。

图2

(a)Ag，(b)Au和(c)Al玻璃基电极上初始成核和早期生长的原位AFM图像。电流密度为40 μA cm-2。(d)Zn在Ag、Au和Al基体上的成核行为。

图3：平面成核模型

(a)Zn@Ag和(b)裸锌电极上初始成核和早期生长的原位三维AFM图像。电流密度为40 μA cm-2。(c)原位AFM试验中沉积Zn的粗糙度。(d)Zn@Ag和裸锌电极原位AFM测试后的XRD谱图，(e)不同晶面对应的RTC值。

图4：在Zn@Ag上定向增长

(a)Zn@Ag和裸锌电极上沉积Zn的原位OM图像。电流密度3.0 mA cm-2。(b)0.5 mA cm-2下Zn沉积的电压-时间曲线。(c)Zn@Ag和裸锌电极上沉积Zn的有限元分析模拟。渐变颜色对应局部Zn2+浓度。(d)Ti@Ag和裸Ti电极上元素映射的SEM横截面图像。(e)Zn@Ag和裸锌电极界面化学示意图。

图5：界面动力学

(a)Zn@Ag||Zn@Ag和Zn||Zn对称电池的温度依赖性Nyquist图和(b)对应的活化能。(c)裸Zn和Zn@Ag阳极的CV曲线和(d)Aurbach库仑效率。(e)速率性能，Zn@Ag||Zn@Ag和Zn||Zn对称电池在(f)0.5 mA cm-2、0.5 mAh cm-2和(g)5.0 mA cm-2、5.0 mAh cm-2下的长期循环。

图6：电化学性能

(a)第50次循环前后的电化学阻抗谱。(b)0.2-1.6 V电压窗下0.1 mV s-1的循环伏安曲线，(c)0.2 A g-1的充放电曲线。(d)Zn||V2O5和Zn@Ag||V2O5在2.0 A g-1下的速率性能和(e)长期循环性能。

研究结论

综上所述，通过原位原子力显微镜可以观察到亲锌银涂层上沿Zn(002)晶面的平面成核和取向生长。Ag在Zn金属中的高溶解度使其形成固溶缓冲层，大大降低了成核屏障，促进了平面成核和无枝晶沉积，界面动力学快速。沿(002)平面的优先沉积抑制了腐蚀和钝化，使得Zn@Ag||Cu的平均利用率高达98.2%。这些元素显著提高了Zn@Ag||Zn@Ag在600 h以上的稳定循环寿命，形成了均匀且无枝晶的锌矿床。在2.0 A g-1下循环1500次后，Zn@Ag||V2O5全电池的容量保持率为74.8%，而在裸锌阳极下的容量保持率为57.9%。这项工作揭示了基底依赖的成核行为，并为可逆和无枝晶锌阳极提供了指导。

原文链接

Interfacial Engineering for Oriented Crystal Growth toward Dendrite-Free Zn Anode for Aqueous Zinc Metal Battery

Xunzhu Zhou，Bo Wen，Yichao Cai，Xiaomin Chen，Lin Li，Qing Zhao，Shulei Chou*，Fujun Li*

https://doi.org/10.1002/anie.202402342