深圳技术大学莫富年&安徽大学胡海波最新AFM丨拓扑引导3D打印锌合金负极抑制枝晶!

水系锌离子电池中锌金属负极面临枝晶生长、析氢反应和界面不稳定等关键挑战，严重制约其循环寿命和库仑效率。传统平面电极由于电场分布不均和局部电流密度过大，导致锌沉积不均匀和短路风险。

虽然三维结构化电极可通过降低局部电流密度和均化电场来抑制枝晶，但现有制备方法难以在复杂3D结构内实现均匀深入的锌沉积，且高比表面积往往加剧副反应，导致循环稳定性下降。现有的负极保护策略主要包括电解液添加剂和界面涂层两类。

添加剂策略虽可调节溶剂化结构，但效果依赖电解液组成且长期循环后易失效；涂层策略则面临高电流密度下机械脱落开裂及离子传输受限的权衡困境。此外，传统3D锌骨架制备工艺复杂且结构可控性差，难以精确调控孔径、几何形貌和组分分布。

因此，开发可设计、可扩展且结构精确的3D锌负极制造策略，同时实现结构稳健性和离子调控能力，成为亟待解决的科学和工程挑战。

近日，深圳技术大学莫富年、安徽大学胡海波在Advanced Functional Materials发表了题为"Photocurable 3D-Printed Zinc Alloy Anodes: A Topology-Guided Dendrite-Suppressing Design for High-Rate Zinc Batteries"的研究论文。

1. 拓扑引导设计：采用光固化3D打印技术构建有序微孔阵列电极骨架，有效均化电场分布和离子通量，降低局部电流密度热点 2. 合金界面工程：通过表面ZnCu合金层修饰，降低锌形核能垒至32.24 kJ mol⁻¹，促进(002)晶面择优取向生长，抑制副反应 3. 动态沉积工艺：磁力搅拌辅助电沉积策略制备致密均匀锌层，相比静态沉积具有更高的结晶度和取向一致性 4. 优异电化学性能：对称电池在10 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下可持续循环340小时，全电池在20 A g⁻¹下经1963次循环后容量保持率达96.4% 5. 实用化验证：成功构建开路电压1.56 V的软包电池，可稳定驱动数码计时器运行，展现良好的实际应用潜力

📄 全文速览

3D结构化锌负极可调控电场并抑制枝晶生长以稳定电沉积/剥离行为。然而，在复杂3D结构上实现均匀锌沉积通常较为困难，且其高比表面积和强电化学活性使其易发生副反应，从而显著降低循环稳定性。

该研究提出了一种拓扑引导的电极设计策略，将快速光固化3D打印与合金工程相结合以调控锌电沉积/剥离行为。3D架构框架提供具有定制拓扑结构的连续导电骨架，引导均匀锌形核并最小化局部电流密度。

此外，纳米级ZnCu合金层的引入进一步降低了形核过电位，并促进在(002)取向表面上的可逆锌沉积/剥离。

受益于这种拓扑引导设计，采用Zn@Cu-6负极的原型器件展现出卓越的电化学稳定性，在对称电池中于10 mA cm⁻²和1 mAh cm⁻²条件下可持续循环340小时。

当与V₂O₅正极配对时，全电池展现出优异的倍率性能和长期耐久性，在20 A g⁻¹下经过1963次循环后仍保持96.4%的容量。这项工作表明，合理的拓扑架构和合金界面工程为构建无枝晶高倍率锌电池提供了强有力的途径。

📊 图文解读

图1 | 3D打印合金电极的制备流程与形貌组分表征

研究团队采用数字光处理(DLP)3D打印技术，以氧化石墨烯基墨水制备3D电极骨架，经热处理后形成导电碳网络。通过动态溶液沉积法在电极表面电沉积锌层，并进一步在稀CuSO₄溶液中浸渍30秒形成ZnCu合金层。

SEM显示锌层致密均匀，EDS mapping证实Cu元素均匀分布，粒径主要分布在100-140 nm。

图2 | 不同锌负极的电化学行为与机理分析

电化学测试表明，ZnCu合金修饰显著降低锌形核过电位（从40 mV降至24 mV），缩小极化间隙。双电层电容测试显示Zn@Cu-6电极具有更大的电化学活性面积（1.42 mF cm⁻²）。

Arrhenius分析表明合金化使活化能从45 kJ mol⁻¹降至32.24 kJ mol⁻¹，证明合金层降低了反应能垒并优化了界面电荷转移动力学。

图3 | 对称电池中不同锌负极的电化学可逆性评价

Zn||Zn对称电池测试显示，Zn@Cu-6电极在10 mA cm⁻²/1 mAh cm⁻²条件下可稳定循环340小时，而平面电极快速失效。在30 mA cm⁻²/2.5 mAh cm⁻²高电流密度下仍能运行78小时。倍率性能测试表明该电极在不同电流密度下均保持低极化电压，展现优异的倍率耐受性和循环稳定性。

图4 | 3D打印合金锌负极的界面稳定性分析

间歇循环测试（6小时静置+6小时循环）显示，Zn-P电极在两次循环后即失效，而Zn@Cu-6电极可稳定运行126小时。原位光学显微镜观察到平面电极表面出现明显枝晶和"死锌"，而3D合金电极表面保持平整。SEM三维高度模拟证实合金化有效抑制了枝晶生长和界面副反应。

图5 | 三维电极结构分析与锌沉积机理研究

COMSOL模拟显示，三维多孔结构边缘存在电场集中效应（尖端效应），形成局部微电场加速锌离子迁移并降低形核势垒。与平面结构相比，3D结构能更均匀地分布电流密度。沉积机理表明，有序微孔阵列引导锌在孔道内均匀沉积，避免表面枝晶生长，实现"自下而上"的填充模式。

图6 | 基于3D打印合金锌负极的Zn||V₂O₅全电池性能表征

Zn||V₂O₅全电池测试中，Zn@Cu-6负极在10 A g⁻¹下经1700次循环后容量达178.2 mAh g⁻¹，在20 A g⁻¹高倍率下经1963次循环后容量保持率达96.4%。

相比平面锌负极，合金化3D负极展现更优的倍率性能和长循环稳定性，证实其在高功率储能系统中的实用潜力。

图7 | Zn||V₂O₅软包电池性能展示与实际系统级应用

研究团队展示了光固化3D打印的快速成型能力，可定制不同孔结构（方形、三角形、混合孔）。烧结前后电极形貌保持良好。

组装的软包电池开路电压达1.56 V，可稳定驱动数码计时器运行，在2 A g⁻¹下展现良好可充电性，证明了该策略在实际应用中的可行性。

📝 总结

该研究提出了一种拓扑引导的锌合金负极工程策略，通过协同结合光固化3D打印与合金化改性，实现了精确的结构和组分调控。高分辨率3D打印技术构建了具有有序微孔阵列的导电骨架，有效均化电场分布并降低局部电流密度。

动态溶液沉积促进了(002)晶面择优取向的致密锌层生长，而表面纳米ZnCu合金层进一步降低了锌沉积/剥离的能垒，抑制了副反应。该3D打印合金负极在对称电池和全电池中均展现出优异的电化学稳定性、倍率性能和长期循环耐久性。

这项工作不仅为高性能水系锌离子电池提供了新的设计范式和技术路线，也为其在高功率储能系统中的实际应用奠定了坚实基础。

Photocurable 3D-Printed Zinc Alloy Anodes: A Topology-Guided Dendrite-Suppressing Design for High-Rate Zinc Batteries,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.75280