深圳北理莫斯科大学王静威联合深圳大学赵泽佳AEM:光刻刻蚀微结构:平衡润湿性与电场分布,构筑超稳定锌负极

【研究背景】

水系锌离子电池因其高安全性、低成本和环境友好等优势，在大规模储能领域备受关注。然而，锌负极在实际应用中长期面临两个相互交织的挑战：不可控的枝晶生长，以及析氢副反应与腐蚀问题。近期关于锌负极改性的研究表明，电场调控、界面化学和表面润湿性均是决定锌沉积行为的关键因素。微/三维结构设计已被证实能够均匀局部电场并抑制枝晶生长；而界面化学工程可增强电解液润湿性并调控Zn²⁺配位环境，从而提升沉积可逆性。其他研究进一步揭示，电场分布与界面化学存在内在耦合关系，共同决定了反复循环过程中长期的形貌稳定性。然而，微观结构可能导致表面润湿状态发生Wenzel-Cassie-Baxter转变。润湿性增强虽然有利于离子传输并抑制枝晶生长，但同时会加剧锌负极与水性电解液之间的直接接触，形成更为广泛的反应界面，从而加剧析氢和腐蚀反应。此外，过度的疏水性会限制电解液与锌负极表面的有效接触，进而削弱离子传输动力学，导致电化学性能出现一定程度的下降。因此，亟需探索微观结构中润湿性与表面电场分布之间的最优平衡，以同时缓解枝晶生长和水诱导的副反应。

该研究从电极表面的几何结构出发，同时实现了对润湿性和电场分布的精细调控。具体而言，通过高精度光刻与湿法刻蚀工艺，在锌负极表面制备了具有特定尺寸的微方柱阵列。通过调节刻蚀时间改变柱高，可获得接触角从100°到120°连续可调的微结构表面（分别记为Zn100°、Zn110°、Zn120°）。这种微结构带来的首要效果是实现润湿性的最优平衡：接触角为100°的Zn100°电极既不因过度亲水（如裸锌的≈90°）而加剧电解液消耗与副反应，也不因过度疏水（如Zn120°的稳定Cassie‑Baxter态截留过多空气）而阻碍离子传输，从而在宏观和微观尺度上均实现电解液的均匀铺展，达到抑制枝晶与减轻水致副反应的最佳平衡点。与此同时，微结构能够重塑电极/电解液界面的电场分布与Zn²⁺浓度场。有限元模拟（COMSOL）结果表明，微柱阵列可有效消除原始锌箔表面固有的尖端电场集中效应，使界面电位分布更加均匀，并降低局部浓差极化。这一“电场均化”作用显著降低了枝晶成核与生长的驱动力，引导Zn²⁺在微结构限定的区域内进行致密、平坦的沉积，在对称电池中实现了超过6000小时的超长循环稳定性。在全电池评估中，Zn100°||I₂全电池在2 A g^-1的电流密度下循环10 000次后，仍可保持约110 mAh g^-1的高可逆容量；所组装的软包电池能够驱动小风扇、LED屏幕以及为智能手机充电，展现出优异的实际应用潜力。这一基于微结构平衡电场与润湿性的设计策略，为发展超稳定金属负极提供了新的思路。

其成果以“Micro-Hydrophobic Microstructure Balance Electric Field Distribution and Wettability for Ultra-Stable Zinc Anodes”在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表。本文第一作者为深圳大学研究生徐波，第二作者为研究生廖友庚，通讯作者为深圳大学赵泽佳教授和深圳北理莫斯科大学王静威教授。

【图文导读】

Figure 1. Three-dimensional morphology and contact angle size of bare zinc foil after etching: (a) Preparation process of zinc anode with microstructure. Three-dimensional morphology of zinc anode: (b) bare Zn, Microstructure Zn: (d) Zn 100°(f) Zn 110°and (h) Zn 120°. Contact angle of zinc anode: (c) bare Zn, Microstructure Zn: (e) Zn 100°(j) Zn 110°and (i) Zn 120°.

Figure 2. Electrochemical stability of symmetric cells: (a) Voltage profiles of symmetric cells at 20 mA cm⁻² with 0.5 mAh cm⁻². Zn 100°anode morphology before cycling of (b) top of the pillar, (c) inter- pillar groove.Zn 100°anode morphology after cycling for 50 cycles at 5mA cm² and 2mAh cm² of (d) top of the pillar. (e) inter-pillar groove. (f) XRD patterns after cycling for 50 cycles at 5mA cm² and 2mAh cm². (g) Comparison of the performance of Zn100°anode symmetric batteries with other works. In situ EIS curves of (h) bare Zn and (j) Zn100°. In situ DRT spectra of symmetric batteries using (i) bare Zn and (k) Zn100°. In situ DRT spectra of symmetric batteries using (l) bare Zn and (m) Zn100°.

Figure 3. Electrochemical stability of symmetric and asymmetric cells: (a) Plating/stripping CE at 0.2 mAcm^-2 with 0.2 mAh cm^-2. (b) Nucleation overpotentials of asymmetric cells (vs. Cu electrode) at a current density of 2.0 mAcm^-2. (c) Arrhenius plots and the corresponding activation energies obtained in Zn/Zn symmetric cells with Zn100°anode. (d) CA plot. (e) CV curves of Zn||SS asymmetric cells for Zn/Zn²⁺ redox reaction. (f) Tafel plots of Zn||Zn symmetric cells. In-situ optical observations of (g) Zn and (h) Zn100°anode.

Figure 4. (a) Schematic representation of zinc ion deposition at bare zinc and Zn anodes. Three-dimensional morphology after cycling at 2A g^-1: (b) 200 cycles, (c) 2000 cycles. (d) Bare Zn and Zn 100°electrode in Zn||Zn symmetric cells Electric field simulation on the surface. (e) Bare Zn and Zn 100°electrode in Zn||Zn symmetric cells Zn²⁺ concentration field simulation on the surface. (f) Bare Zn and Zn 100°electrode in Zn||Zn symmetric cells Zn²⁺ deposition on the surface. 

Figure 5. Electrochemical performance of full batteries and their applications: (a) In situ EIS spectra of full AZIBs using Zn100°at different voltages. (b) In situ DRT spectra of full AZIBs using Zn100°. (c) Capacity retention of Zn||I₂ full cells with Zn100°anodes after charging to 1.6 V, standing for 24 h and discharging to 0.6 V. (d) Cycling performance of coin cells. (e) Comparison of the performance of Zn100° anode full batteries with other works. Pouch cells digital images of testing: (f) powering LED. (g) powering fan. (h) charging phone.

【研究结论】

该工作报道了通过光刻刻蚀法构筑表面微结构，开发出可规模化制备的具有平衡润湿性与均匀电场分布的高性能锌负极。系统研究了微结构对电极表面润湿行为和界面电场分布的影响。理论与实验相结合的研究表明，所设计的微结构能够同时实现两大关键功能：一方面，通过调控表面微结构高度获得适中的亲疏水平衡，有效抑制电解液过度铺展引发的副反应，同时保证充足的离子传输通道；另一方面，微结构消除了原始锌箔表面的局部尖端电场集中效应，使界面电位分布高度均匀化，显著降低枝晶成核与生长的驱动力。上述协同作用使锌负极在超高电流密度和面容量下仍能实现致密、平坦的锌沉积，避免了传统保护层易脱落失效的弊端。本综合研究深入理解了表面微结构对锌负极润湿性与电场分布的调控机制，为水系锌离子电池高性能负极的拓扑设计提供了全新思路，并为其规模化生产和实际应用奠定了坚实基础。

【文献信息】

B.Xu,Y.Liao, S.To, et al. “Micro-Hydrophobic Microstructure Balance Electric Field Distribution and Wettability for Ultra-Stable Zinc Anodes.” Advanced Energy Materials (2026): e71039. 

https://doi.org/10.1002/aenm.71039