『水系锌电』深圳大学 Advanced Energy Materials:微疏水微结构均衡电场与润湿性,实现超稳定锌负极
水系锌离子电池安全低成本，但锌负极本征不稳定性严重限制应用：1）尖端效应导致电场分布不均，锌沉积无序诱发枝晶生长，引发内部短路；2）水诱导析氢副反应（HER）剧烈，消耗电解液、破坏电极结构；3）腐蚀反应造成活性锌不可逆消耗，库仑效率低、容量快速衰减；4）润湿性与电场存在固有矛盾：过强亲液加剧副反应，过强疏液损伤离子传输。实现电场均匀化 + 润湿性最优化 + 副反应最小化三者协同平衡，是超稳定锌负极实用化核心瓶颈。本研究通过光刻蚀刻技术构建微疏水微柱阵列结构锌负极：精准调控微柱高度，实现表面接触角 100°–120° 连续可控；微结构重构表面电场分布，消除尖端效应与局部电流热点；适度微疏水性（100°）平衡电解液浸润与副反应抑制，达到最优协同；诱导锌沿 (002) 晶面择优沉积，实现无枝晶、低腐蚀、超稳定循环。最优 Zn100° 负极对称电池稳定循环超6000 h，Zn||I₂全电池 2 A g⁻¹ 循环10000 圈容量保持 110 mAh g⁻¹。①策略原创：首次提出微疏水微结构均衡电场分布与表面润湿性，从根源抑制枝晶与水副反应；②机制突破：揭示微结构→电场均匀化→润湿性平衡→(002) 择优沉积长效稳定新机制；③性能突破：对称电池 6000 h 超长寿命 + 全电池 10000 圈超稳循环，指标行业领先；④普适性：微结构设计理念可拓展至锂、钠、镁等其他金属负极。图 1 微结构锌负极制备与表面润湿性调控。(a) 光刻蚀刻制备流程；(b,d,f,h) 裸 Zn/Zn100°/Zn110°/Zn120°3D 形貌；(c,e,g,i) 对应接触角。1）光刻蚀刻构建方形微柱阵列（边长 200 μm，间距 100 μm）；2）调控蚀刻时间实现接触角90°→100°→110°→120°精准调控；3）Zn100° 处于最佳中间润湿态，兼顾离子传输与副反应抑制。图 2 对称电池电化学性能与界面表征。(a) 20 mA cm⁻² 循环曲线；(b–e) Zn100° 循环前后形貌；(f) 循环后 XRD；(g) 性能对标；(h–m) 原位 EIS/DRT。1）Zn100° 对称电池 5 mA cm⁻² 稳定6000 h，无短路无极化飙升；3）(002) 晶面衍射峰显著增强，实现择优沉积；图 3 沉积动力学与原位可视化。(a) Zn||Cu 库仑效率；(b) 成核过电位；(c) 活化能；(d) 计时电流曲线；(e) CV 曲线；(f) 塔菲尔曲线；(g,h) 原位光学观测锌沉积。1）Zn100° 成核过电位低至23.5 mV，活化能降至32.9 kJ mol⁻¹；2）沉积由 2D 扩散转为3D 渐进形核，均匀性大幅提升；4）原位观测 20 min 无枝晶，对照 10 min 即出现尖锐枝晶。图 4 COMSOL 模拟电场与 Zn²⁺分布。(a) 锌沉积机制示意图；(b,c) 循环后 3D 形貌；(d) 电场分布对比；(e) Zn²⁺浓度场对比；(f) 锌沉积形貌对比。1）裸 Zn 表面电场极度不均，尖端聚集电场诱发枝晶；2）Zn100° 微结构电场分布高度均匀，消除局部热点；图 5 Zn||I₂全电池与软包性能。(a) 原位 EIS；(b) 原位 DRT；(c) 自放电测试；(d) 2 A g⁻¹ 长循环；(e) 性能对标；(f–h) 软包电池驱动 LED / 风扇 / 手机。1）全电池界面阻抗低且稳定，自放电 24 h 容量保持88.1%；2）2 A g⁻¹ 循环10000 圈，容量保持 110 mAh g⁻¹；本研究开创微疏水微结构均衡电场与润湿性全新策略，一次性解决锌负极枝晶、析氢、腐蚀三大难题：1）电场均匀化：微柱阵列重构电场分布，消除尖端效应与局部沉积热点；2）润湿性最优：Zn100° 适度疏水，平衡电解液浸润与副反应抑制；3）晶面调控：诱导 (002) 晶面择优沉积，实现无枝晶均匀沉积；4）性能突破：对称电池 6000 h、全电池 10000 圈、软包稳定工作。该工作建立微结构 - 电场 - 润湿性协同设计新范式，为超稳定水系锌电池及其他金属负极提供通用解决方案。Micro‐Hydrophobic Microstructure Balance Electric Field Distribution and Wettability for Ultra‐Stable Zinc Anodes.Advanced Energy Materials, 2026; https://doi.org/10.1002/aenm.71039本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
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