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深圳大学Adv. Energy Mater.: 微疏水微观结构调控电场分布与润湿性构筑超稳定锌负极

2026-06-08 05:51:12

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发表期刊：Advanced Energy Materials

文章标题：Micro-Hydrophobic Microstructure Balance Electric Field Distribution and Wettability for Ultra-Stable Zinc Anodes

第一作者：Bo Xu

研究背景

水系锌离子电池凭借水系电解液本征安全、无易燃毒性、锌资源储量丰富、理论容量高、电化学电位低等优势，成为大规模储能、可再生能源并网极具潜力的绿色电化学储能技术。但锌负极/电解液界面存在难以规避的固有缺陷：一是充电沉积过程尖端电场效应诱发锌无序枝晶生长，易刺穿隔膜引发电池内短路、大幅缩减循环寿命；二是水系体系下持续析氢反应不仅消耗电解液、增大界面阻抗，还会产生气泡破坏电极结构完整性，同时腐蚀副反应造成活性锌不可逆损耗，引发容量衰减与库伦效率恶化，多重界面问题相互耦合制约水系锌离子电池商业化落地。

当前锌负极改性研究表明，电场调控、界面化学与表面润湿性是决定锌沉积行为的三大关键要素。三维微结构可均化局域电场、抑制枝晶，界面工程可优化电解液浸润与离子配位、提升沉积可逆性。但微观结构易引发表面润湿状态在Wenzel与Cassie-Baxter模式间转变：亲水性过强会加剧锌负极与电解液直接接触，放大析氢腐蚀副反应；疏水性过强则阻碍电解液有效浸润，恶化离子输运动力学、削弱电化学性能。因此，亟需构筑微观结构实现电场分布与表面润湿性精准平衡，同步抑制枝晶生长与水诱导界面副反应。

研究亮点

本研究在锌负极表面构筑微疏水阵列微观结构，实现负极表面电场分布与电解液润湿性的协同平衡；采用光刻-刻蚀工艺制备尺寸精准可控的微柱阵列，系统阐明微观结构高度对表面接触角及电化学性能的耦合影响机制。通过精准调控刻蚀时间，实现表面接触角在100°~120°范围内连续可控，并深入探究不同润湿状态下锌沉积行为的演变规律。研究发现，100°适度润湿疏水界面可在有效抑制锌枝晶生长与保障优异离子输运动力学之间达成最优平衡，表现出最佳电化学综合性能。本研究将微结构工程与界面输运调控有机结合，为高性能锌负极设计提供全新思路，同时证实可通过精密微纳加工精准调控表面电场与离子通量。该几何辅助界面调控策略不受制备工艺限制，依托结构-输运-场效应耦合底层原理，可拓展应用至其他存在沉积失稳问题的金属负极体系，具备良好通用性与可复制性。

主要结果

图1 (a) 微结构锌负极光刻刻蚀制备工艺流程；(b,d,f,h) 纯锌、Zn100°、Zn110°、Zn120°负极三维微观形貌；(c,e,i,j) 对应样品表面水接触角测试结果。

图2 (a) 20 mA cm^-2大电流密度下对称电池长循环电压曲线；(b–e) Zn100°负极循环前后微柱顶部与沟槽微观形貌；(f) 循环后不同润湿状态负极XRD物相表征；(g) 本工作与已报道锌负极对称电池性能对比；(h–m) 纯锌与Zn100°负极原位电化学阻抗及弛豫时间DRT演变谱图。

图3 (a) 不同负极组装不对称电池库伦效率循环曲线；(b) 各样品锌形核过电位对比；(c) 基于阿伦尼乌斯方程计算锌离子去溶剂化活化能；(d) 计时电流CA沉积行为曲线；(e) 循环伏安CV氧化还原特征曲线；(f) 塔菲尔极化曲线腐蚀动力学分析；(g,h) 纯锌与Zn100°负极锌沉积原位光学微观演化。

图4 (a) 纯锌与微结构负极锌离子沉积行为机理示意图；(b,c) Zn100°全电池循环200圈、2000圈后三维微观形貌；(d–f) 纯锌与Zn100°负极表面电场分布、锌离子浓度场及沉积形貌有限元仿真对比。

图5 (a) Zn100°基全电池不同电压下原位EIS谱；(b) 全电池原位DRT动力学分析；(c) 电池静置自放电容量保持率测试；(d) 全电池长循环充放电性能；(e) 本工作与文献全电池性能对比；(f–h) 微结构锌负极软包电池驱动LED、风扇、手机实物演示。

结论

本文通过精准光刻刻蚀工艺可控构筑微疏水阵列微观结构，实现锌负极表面电场分布与电解液润湿性的协同平衡。实验与表征结果表明，相较于纯锌负极及 Zn110°、Zn120°高疏水负极，Zn100°适度疏水微结构展现最优综合电化学性能：微柱阵列提升比表面积、均匀重构表面电场，消除尖端富集效应；适度疏水特性在抑制析氢腐蚀副反应的同时，保障电解液有效浸润与快速离子输运。微观结构可诱导锌沿(002)晶面择优致密沉积，降低锌离子去溶剂化能垒与形核过电位，循环后微柱阵列结构完整性完好，具备优异力学稳定性与耐腐蚀能力。该工作明晰了微观结构—润湿性—电场分布的耦合调控机制，建立适度润湿窗口的电极设计通用原则，无需依赖特定制备工艺即可拓展至纳米压印、激光纹理化等规模化制备路线，为高性能锌负极开发及水系锌离子电池实用化，以及其他沉积不稳定金属负极界面改性提供了重要理论支撑与工程化参考。