发表期刊：Nature Communications
文章标题：Negative electrode degradation induced by two-stage zinc plating and its recovery in zinc batteries
第一作者：He Gan
通讯作者：Cuiping Han, Hui-Ming Cheng
研究背景
可充电锌金属电池以其本质安全性、低成本、无毒以及与水性电解质的兼容性而著称，被视为锂离子电池的重要替代候选体系。这些独特优势使锌金属电池成为智能电网、家庭储能系统等对安全性要求极高场景的理想选择。然而，其实际应用仍面临严峻挑战，主要源于负极不均匀的锌电沉积行为，这会引发电池短路与容量快速衰减。
当前研究多聚焦于阐明锌沉积的成核与生长机制。锌沉积形貌受电流密度、电解质离子传输特性、界面环境及基底晶格匹配度等多因素影响。为调控平面基底上的不规则沉积，研究者已尝试表面改性、三维集流体设计及电解质配方优化等策略。近期研究发现，低电流密度下易形成由弯曲纳米线/片构成的高比表面积多孔“苔藓状锌”，与经典枝晶生长模式不同。该结构因可诱发剥离过程中形成“死锌”并导致容量衰减而备受关注，但其形成机理、演变路径及有效抑制方法仍待深入探究。
研究亮点
本研究揭示了苔藓状锌的形成机理，并提出其抑制策略与死锌活化方案。
（1）通过光学监测技术发现两阶段沉积机制：首先形成致密块状锌，随后通过表面突起发展转变为苔藓状结构。在后续剥离过程中，苔藓状锌不可逆地转化为惰性死锌，其根本原因在于基底与锌之间界面接触的丧失。
（2）提出采用阴阳离子复合添加剂策略：阳离子组分在负极表面形成带正电的惰性区域以阻止局部锌离子过度积累，阴离子组分则作为氧化还原介体活化死锌。
（3）上述协同机制使锌对称电池在10 mA cm⁻²和10 mAh cm⁻²条件下实现超过1400小时的稳定沉积/剥离循环，并赋予安时级锌碘软包电池800次循环寿命。
图文导读
图1. 锌负极的两阶段沉积与剥离。 a 光学电解池装置示意图。b 电流密度为1 mA cm⁻²时锌沉积与剥离的典型电压-时间曲线。c 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C时，两阶段锌沉积的原位光学显微镜照片。比例尺：500 μm；插图为100 μm。d 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C条件下，沉积0、10、60、90和120分钟后的锌沉积物离场扫描电子显微镜图像。比例尺：20 μm；插图为4 μm。e, f 不同沉积阶段锌电极表面附近e电流密度分布和f电场分布的COMSOL模拟。g 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C时，锌剥离的原位光学显微镜照片。比例尺：500 μm。源数据作为源数据文件提供。
图2. 向苔藓状锌转变过程中锌沉积物的表征。 a, b 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下电沉积10、60、90和120分钟后的锌沉积物的a XRD图谱，以及b锌沉积物的相对强度I(100/002)和I(101/002)。c 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下电沉积10、60、90和120分钟后锌沉积物的EDLC。误差棒代表不同样品的标准差。数据以平均值±标准差表示（n=3）。d 锌沉积过程中的原位电化学阻抗谱。e, f 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下电沉积10、60、90和120分钟后的锌沉积物的e塔菲尔曲线和f析氢极化曲线。腐蚀电流密度（icorr）从塔菲尔图中获得。g 锌负极两阶段沉积与剥离示意图。h 使用阴阳离子试剂时，锌负极沉积与剥离示意图。源数据作为源数据文件提供。
图3. 阳离子调控的锌负极界面。 a EQCM测量装置示意图。b EQCM测试中在5 mV s⁻¹、25 °C下的线性扫描伏安曲线。c 不同Na₂SO₄基溶液的质量变化曲线。d 原位傅里叶变换红外光谱测量装置示意图。e 在ZnOTF-ACI电解质中，电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下沉积锌时的原位傅里叶变换红外光谱。f 乙酰胆碱阳离子、I⁻阴离子、Zn离子和H₂O在锌基底上的吸附能。相应的结构式如插图所示，其中红、浅粉、银灰、紫、棕、蓝灰色球分别代表O、H、Zn、I、C和N原子。源数据作为源数据文件提供。
图4. ZnOTF-ACI电解质中均匀的锌沉积与剥离。 a 在ZnOTF-ACI电解质中，电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下沉积锌的原位光学显微镜照片。比例尺：500 μm；插图为100 μm。b 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C条件下，沉积0、10、60、90和120分钟后的相应锌沉积物离场SEM图像。比例尺：20 μm；插图为4 μm。c 电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下电沉积10、60、90和120分钟后的锌沉积物XRD图谱。d 在ZnOTF-ACI电解质中沉积锌时的原位电化学阻抗谱。e 在ZnOTF-ACI电解质中，电流密度为1 mA cm⁻²、温度25 °C下剥离锌的原位光学显微镜照片。比例尺：500 μm。源数据作为源数据文件提供。
图5. 碘物种的基础功能。 a 死锌在Zn(I₃)₂水溶液中浸泡5天前后的光学照片。b, c Zn(I₃)₂溶液在处理死锌前后的b UV-Vis光谱和c ICP-OES结果。d-f d抛光锌、e ZOTH@Zn和f浸泡后ZOTH@Zn的SEM图像。比例尺：20 μm。g 在1 mA cm⁻²下形成死锌的典型电压曲线。h 使用ZnOTF-ACI电解质的Zn||Ti电池在化成循环后，于5 mA cm⁻²下的电压曲线。i Aurbach库伦效率测试后钛电极和隔膜的光学照片。源数据作为源数据文件提供。
图6. 不同电解质中锌负极的稳定性。 a-c 在25 °C下测试的Zn|Ti电池中锌负极的a库伦效率，以及b, c不同循环次数后的相应充放电曲线。d, e 在25 °C、不同循环条件下，Zn-Zn纽扣电池中的恒电流锌沉积/剥离测试。f 本工作与先前研究的电化学性能比较。累积沉积容量表示为CPC。g 大型Zn|Zn软包电池的光学照片及恒电流锌沉积/剥离曲线。h-k 使用不同电解质，在5 mA cm⁻²、5 mAh cm⁻²、25 °C下循环100次后锌负极的h, i SEM图像和j, k 3D图像。比例尺：20 μm；插图为4 μm。源数据作为源数据文件提供。
图7. Zn|I₂全电池的电化学性能。 a, b 使用不同电解质的Zn-I₂纽扣电池在25 °C下的a CV曲线和b循环性能。c, d 在苛刻条件下（包括低负极/正极容量比和低电解液量/电池容量比），在25 °C下测试的c单层和d双层Zn|I₂软包电池示意图及循环性能。源数据作为源数据文件提供。
总结与展望
该研究揭示了锌沉积的机制：初期块状沉积物上因局部离子聚集形成苔藓状锌，进而因界面接触丧失产生“死锌”，导致负极失效。为此，我们引入一种阴阳离子复合试剂，它既能在负极表面构建富阳离子区以均化锌离子流、抑制苔藓锌生长，又可作为氧化还原介体重构死锌，从而使锌负极实现99.6%的平均库伦效率及＞1,400小时的高负载循环寿命，并将锌碘软包电池稳定循环提升至800次以上。本研究为理解锌沉积行为及开发长寿命锌电池提供了新策略。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-68844-z
