深圳大学赵泽佳/深圳北理莫斯科大学王静威,最新AEM!微疏水微结构平衡电场分布与润湿性以实现超稳定锌负极!徐波一作

水系锌离子电池的应用受到锌金属负极本征不稳定性的阻碍，这主要归因于枝晶生长和寄生副反应。

2026年05月07日，深圳大学赵泽佳团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Micro-Hydrophobic Microstructure Balance Electric Field Distribution and Wettability for Ultra-Stable Zinc Anodes”的研究论文，团队成员徐波为论文第一作者，赵泽佳、深圳北理莫斯科大学王静威为论文共同通讯作者。

第一作者：徐波

通讯作者：赵泽佳、王静威

通讯单位：深圳大学、深圳北理莫斯科大学

论文DOI：10.1002/aenm.71039

该研究基于空间限域效应构建了微疏水微结构，平衡了锌负极的表面电场分布与润湿性，从根本上抑制了锌枝晶生长和水诱导的副反应。采用光刻蚀技术制备了尺寸可控的微柱阵列。通过调整蚀刻时间，获得了具有不同柱高度的负极，其表面润湿性可调，接触角范围从100°到120°（分别命名为Zn100°、Zn110°和Zn120°）。综合分析表明，润湿性与性能之间存在非单调相关性，其中Zn100°负极实现了最佳平衡，在对称电池中保持超过6000 h的稳定性，并在全电池中经过10000次循环后仍保有110 mAh g⁻¹的容量。该研究通过微纳工程与表面调控相结合，实现了锌负极性能的显著提升，不仅推进了锌离子电池技术，也为解决其他金属负极的问题提供了新见解。

水系锌离子电池（AZIBs）正迅速成为一种可持续且环境友好的电化学储能技术。其环境兼容性主要源于使用不可燃水系电解质，从而避免了传统电化学储能装置中有机电解质的毒性和易燃性问题。此外，该技术依赖于丰富且可回收的锌金属，这种负极材料具有820 mAh g⁻¹的高理论容量和−0.763 V的低电化学电位，显著降低了环境足迹。这些特性使得AZIBs对大规模固定式储能特别有吸引力，而大规模固定式储能对于将太阳能和风能等间歇性可再生能源整合到电网中至关重要，从而有助于构建更清洁的能源基础设施。尽管有这些优势，锌金属负极的实际应用仍受到负极-电解质界面处棘手挑战的严重阻碍。这些问题源于锌在水系电解质中的热力学不稳定性。首先，由尖端增强电场驱动的锌在沉积/剥离过程中的不可控枝晶生长，会导致内部短路，显著降低循环寿命。其次，持续的析氢反应不仅消耗电解质并增加界面阻抗，还会产生气泡，破坏电极结构完整性；同时，腐蚀问题导致活性锌材料不可逆消耗，造成容量衰减和库仑效率降低。这些相互关联的界面问题相互加剧，共同限制了水系锌离子电池的实际应用。

近期锌负极修饰的研究进展表明，电场调控、界面化学和表面润湿性都是控制锌沉积行为的关键因素。微结构/三维结构设计已被证明可以均匀化局部电场并抑制枝晶生长，而界面化学工程则可以增强电解质润湿性并调控Zn²⁺配位，从而提高沉积可逆性。更近期的研究进一步揭示，电场分布与界面化学本质上是耦合的，并共同决定了循环过程中长期形貌稳定性。

然而，微结构会导致表面润湿状态发生Wenzel到Cassie-Baxter的转变。虽然增强的润湿性有利于离子传输并抑制枝晶生长，但它同时加剧了锌负极与水性电解质的直接接触，从而产生更广泛的反应界面，加剧析氢和腐蚀反应。此外，过度疏水性会限制电解质与锌负极表面的有效接触，从而损害离子传输动力学并导致电化学性能一定程度的下降。因此，迫切需要探索微结构中润湿性与表面电场分布之间的最佳平衡，以同时缓解枝晶生长和水诱导的副反应。

在此，该研究在锌负极表面构建了微疏水微结构阵列，以平衡负极的表面电场分布与润湿性。采用光刻-蚀刻工艺构建了尺寸精确可控的微阵列。系统研究了微结构高度对表面接触角和电化学性能的耦合影响机制。通过精确调控蚀刻时间，成功实现了接触角从100°到120°的精确控制，并进一步分析了不同润湿状态下锌沉积行为的演化规律。研究发现，适中的表面润湿性（锌负极接触角100°）在抑制枝晶生长与维持良好离子传输动力学之间实现了最佳平衡，表现出最优电化学性能。相比之下，对于具有更高接触角（Zn110°和Zn120°）的负极，其更深微结构内捕获的过量空气阱（这是稳定Cassie-Baxter态的特征）造成了不连续固-液界面。相反，具有本征亲水性的裸锌负极会促进电解质的完全渗透，这反而变得有害。该研究通过将微结构工程与界面传输调控相结合，推进了高性能锌负极的设计，并展示了如何利用精密微加工技术来合理调控电场分布和离子通量。尽管制备方法可能需要调整，但这种几何结构辅助的界面调控策略在概念上仍可从锌扩展到其他易于出现沉积不稳定的金属负极，因为该研究可扩展本质在于其底层的结构-传输-场耦合原理。

图1 蚀刻后裸锌箔及微结构锌负极的三维形貌与接触角尺寸：(a) 具有微结构的锌负极的制备过程。锌负极的三维形貌：(b) 裸Zn，(d) Zn100°、(f) Zn110°和(h) Zn120°微结构Zn。锌负极的接触角：(c) 裸Zn，(e) Zn100°、(j) Zn110°和(i) Zn120°微结构Zn。

图2 对称电池的电化学稳定性：(a) 对称电池在20 mA cm⁻²、0.5 mAh cm⁻²下的电压曲线。Zn100°负极循环前的形貌：(b) 柱顶部，(c) 柱间沟槽。Zn100°负极在5 mA cm⁻²、2 mAh cm⁻²下循环50次后的形貌：(d) 柱顶部，(e) 柱间沟槽。(f) 在5 mA cm⁻²、2 mAh cm⁻²下循环50次后的XRD谱图。(g) Zn100°负极对称电池性能与其他工作的比较。原位EIS曲线：(h) 裸Zn，(j) Zn100°。对称电池的原位DRT谱图：(i) 裸Zn，(k) Zn100°。对称电池的原位DRT谱图：(l) 裸Zn，(m) Zn100°。

图3 对称电池与非对称电池的电化学稳定性：(a) 在0.2 mA cm⁻²、0.2 mAh cm⁻²下的沉积/剥离CE。(b) 在2.0 mA cm⁻²电流密度下非对称电池（vs Cu电极）的成核过电位。(c) Zn100°负极的Zn//Zn对称电池中Arrhenius图及相应的活化能。(d) CA图。(e) Znn//SS非对称电池中Zn/Zn²⁺氧化还原反应的CV曲线。(f) Znn//Zn对称电池的Tafel曲线。(g) 裸Zn和(h) Zn100°负极的原位光学观察。

图4 (a)锌离子在裸锌和Zn负极上沉积的示意图。在2Ag⁻¹下循环后的三维形貌：(b)200次循环，(c)2000次循环。(d)裸Zn和Zn100°电极在Zn||Zn对称电池中表面上的电场模拟。(e)裸Zn和Zn100°电极在Zn||Zn对称电池中表面上的Zn²⁺浓度场模拟。(f)裸Zn和Zn100°电极在Zn||Zn对称电池中表面上的Zn²⁺沉积模拟。

图5 全电池的电化学性能及其应用：(a) 采用Zn100°的全水系锌离子电池在不同电压下的原位EIS谱图。(b) 采用Zn100°的全水系锌离子电池的原位DRT谱图。(c) Zn||I₂全电池采用Zn100°负极在充电至1.6 V、静置24 h后放电至0.6 V的容量保持率。(d) 纽扣电池的循环性能。(e) Zn100°负极全电池性能与其他工作的比较。(f-h) 软包电池测试数码图：(f) 为LED供电，(g) 为风扇供电，(h) 为手机充电。