中國科大揭示水系鋅基電池中鋅電溶解機理

中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 方夢宇）近日，中國科學技術大學談鵬教授團隊在水系鋅基電池領域取得重要進展，全面揭示了鋅電極的電溶解機理，為提升鋅電極的可逆性提供了新思路，相關成果發表于《科學通報》。

水系鋅基電池由于固有的安全性、環境友好、低成本和高能量密度，是理想的電化學儲能系統。然而，鋅電極不可逆的電化學溶解和沉積導致了不可控的枝晶生長，嚴重阻礙了該技術的實際應用。不同于鋰離子電池，鋅基電池的起始運行工步通常是放電過程，即鋅電極首先發生電溶解反應，而非電沉積。然而，現有研究大多集中在鋅的電沉積行為上，電溶解特性卻被忽視。鋅的電溶解會改變其表面狀態，進而對后續過程造成影響。因此，對電溶解行為的全面理解有利于穩定鋅電極的構建。

該研究基于精拋的多晶鋅箔開展了不同運行協議下的電溶解實驗，發現隨著電流密度的升高，電溶解呈現“點—線—面”的行為轉變，且在較高電流密度下表現出強烈的擇優晶面溶解屬性。結合實驗表征、測試和理論計算，揭示了鋅不同晶面之間的電溶解行為差異，發現（002）晶面最穩定，而（110）晶面最易發生電溶解。

基于對電溶解行為和機理的理解，進一步探究了電溶解對鋅電極空間和容量不可逆性的影響。形貌表征發現，沉積過程主要發生在電溶解形成的缺陷區域，從而表現出空間不可逆性；通過構建傳質—電化學耦合模型，揭示了電溶解形成的缺陷附近具有較高的離子濃度和局部電流密度，進而決定了沉積過程中的成核位點和生長速率。結合枝晶的外部濃度分布和內部結構異質性，闡明了“死鋅”的形成機理。

基于上述發現，研究團隊通過外延生長構建了擇優取向的鋅電極，顯著抑制了溶解不均勻性，在對稱電池和全電池中顯著提升了循環壽命。該成果為改善鋅電極的可逆性提供了新思路，并可推廣到其他金屬電極的研究和應用中。