近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室魏英进教授、王义展教授团队在水系锌离子电池金属锌电极性能研究方面取得新进展。研究成果以“Temperature-Dependent Nucleation and Electrochemical Performance of Zn Metal Anodes”为题，发表在《Nano Letters》上.
水系锌离子电池因其安全性高、易于组装、成本低、环境友好等优点而备受关注。 然而，锌金属阳极的枝晶问题严重阻碍了锌金属电池的实际应用。由锌枝晶引起的表面积增加会加速锌阳极腐蚀、析氢和死锌的形成，从而导致较低的库仑效率。由于具有较高的杨氏模量，尖锐的锌枝晶，甚至可能刺穿隔膜并使电池短路。到目前为止，通过原位消除电池循环过程中已经形成的枝晶，从而实现金属锌阳极的自我修复还极具挑战。为了解决锌枝晶的问题，了解电沉积过程中锌阳极形态的演变至关重要。电沉积行为取决于多种因素，例如沉积电流密度、电解质组成、离子分布和界面结构等。温度是直接影响离子扩散系数和电荷转移系数的重要热力学因素。此外，根据 Arrhenius 方程，温度与反应速率密切相关，因此会影响金属锌的成核和生长行为。深入了解锌金属阳极在较宽温度范围内的成核和生长行为对于抑制锌枝晶生长具有重要价值。然而，关于锌金属在不同温度下的早期成核和生长行为的研究仍然缺乏。
图1. 不同温度下锌电沉积成核行为以及温度调控的锌金属阳极自我修复过程
该文系统地研究了温度对水系电解质中锌金属成核和生长的影响。在 10-60 °C 的温度范围内锌金属的沉积满足瞬时成核理论。锌核的尺寸及其成核密度强烈依赖于温度。由于成核能的降低，较高的温度有助于降低成核密度和提高晶核尺寸，从而导致锌沉积不均匀，有利于枝晶的生长。相反，低温可以诱导更小和更致密的核，从而防止枝晶的形成。此外，还研究了温度对锌金属负极循环性能和副反应的影响。在较高温度下严重的枝晶形成和增强的副反应导致锌金属负极的低库伦效率和较差的循环寿命。基于以上发现，进一步提出了一种自我修复策略，通过应用冷却处理来控制锌沉积过程中的成核行为，从而消除先前在高循环温度下形成的枝晶，有效地将锌负极的寿命延长了 520%。这种新颖的自我修复策略可以用作原位恢复电池以达到更长寿命的可靠策略。
该论文第一作者为物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室的硕士研究生苏嘉然，通讯作者为吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室的魏英进教授和王义展教授。该工作得到了国家自然基金委项目、吉林省科技厅、重庆市自然科学基金的大力支持。
论文全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04353
