《AFM》：一种简单有效的策略解决锌电极枝晶问

锌基水二次电池具有成本低、资源丰富、安全性好、环境友好、理论容量高(820mAh g-1和5851mAh L−1)和低氧化还原电位(−0.76V)等锌基负极的固有优势，在储存间歇性可再生能源方面具有重要的潜力。然而，水基电池采用金属锌(Zn)通常会出现严重的枝晶生长、不利于析氢和自腐蚀等问题，特别是在碱性电解液中。

来自中山大学、广东第二师范学院和武汉工程大学的学者展示了一种简单而有效的解决上述问题的策略，即在铜锌合金表面(CZ-Zn)上电化学沉积锌。整个Cu-Zn合金中的亲锌Cu位能显著增强Zn2+的吸附，从而促进Zn2+在其表面均匀成核，使其具有高度可逆的镀锌/脱锌化学。此外，Cu对析氢反应(HER)的本质惰性和Cu-Zn合金的高脱锌电位可以有效地缓解析氢和Zn在水溶液中的腐蚀。Cu对析氢反应的惰性和Cu-Zn合金的高脱锌电位可以有效地抑制析氢和Zn在水溶液中的腐蚀。

因此，采用CZ-Zn电极的对称电池在碱性和中性电解液中都表现出了优异的循环寿命，在2.5 mAhcm-2下的循环寿命分别超过800h和1600h，远远超过原始Zn电极的循环寿命。此外，通过将这种CZ-Zn负极与Ni3S2@聚苯胺负极配对，本文得到了一种具有超长循环稳定性(5000次循环后容量不会下降)和优异的库仑效率(CE)(100%)的高性能碱性全电池。本研究为目前最先进的水相储能装置设计坚固、超稳定的锌正极提供了理论依据。相关文章以“Zincophilic Cu Sites Induce Dendrite-Free Zn Anodes for Robust Alkaline/Neutral Aqueous Batteries”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202110829

图1.a)Zn、Cu0.64Zn0.36和CZ-Zn样品的XRD图谱。b)Cu0.64Zn0.36和c)CZ-Zn的SEM图像，d)CZ-Zn样品的Zn和Cu的SEM选区元素图谱图像。e)CZ-Zn样品的TEM和高分辨率TEM图像。

图2.a)5 mA cm−2(容量为2.5mAh cm−2)和b)2 mA cm−2(容量为2 mAh cm−2)下的电压分布。c)裸Zn和CZ-Zn正极上镀锌/剥离的CE。d)在碱性和中性电解液中，基于裸Zn和CZ-Zn正极的对称电池在电流密度为0.5~5 mA cm−2时的倍率性能。e)在不同的电流密度下，Zn||Zn和CZ-Zn||CZ-Zn电池对应的电压滞后。

图3.a)镀锌过程中锌/电解液界面的光学照片，记录在a)裸Zn和b)CZ-Zn在碱性电解液中，c)裸Zn和d)CZ-Zn在中性电解液(刻度尺为200µm)中的不同时刻的照片。

图4。a)Cu-Zn合金和Cu-Zn合金表面沉积Zn的脱锌电位，b)腐蚀曲线，c)Zn和CZ-Zn电极在碱性和中性电解液中的析氢行为。计算了Zn2+在Zn(101)和e)Cu-Zn合金(111)上的结合能。f)吸附Zn2+的Cu-Zn合金的电荷密度分布。g)氢在Zn(101)和Cu-Zn合金(111)上吸附的自由能图。h)循环前后锌和锌正极示意图。

图5.a)锌基电池原理图。b)5.4Ag−1时的GCD曲线；c)在碱性电解液中，Ni3S2@PANI//Zn和Ni3S2@PANI//CZ-Zn电池在6.7Ag−1和e)CE下的倍率性能和循环性能。f)VO2//Zn和VO2//CZ-Zn电池在中性电解液中的倍率性能和g)5A g−1循环性能.

综上所述，本文通过在均匀的Cu-Zn合金上预镀锌层，研制出了一种新型的水基电池超稳定锌负极。通过一系列非原位和原位表征和密度泛函理论模拟，首次阐明了Cu-Zn合金正极中铜位的亲锌性和均匀分布对均匀成核和无枝晶锌沉积的协同效应。由于CZ-Zn正极中的亲锌Cu位可以诱导锌的均匀成核并抑制锌的形成，以及Cu-Zn合金较高的脱锌电位，所制备的CZ-Zn正极在碱性和中性电解液中表现出显著的循环耐久性。本研究为超稳定锌负极的制备提供了一种经济、低成本的策略，为设计先进的锌基电池提供了广阔的前景。

审核编辑 ：李倩