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文 章 信 息
调节界面电场构建具有快速动力学的（101）晶面取向的无枝晶Zn负极
第一作者：闫童
通讯作者：宋慧宇*, 梁振兴*
单位：华南理工大学
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研 究 背 景
锌离子电池因金属锌负极具备高达820 mA h-1的理论容量、丰富的资源以及卓越的安全性，成为当前储能领域的研究热点。锌负极六方堆积结构形成的不同晶面具有不同的动力学。动力学的差异会导致锌离子的不均匀沉积，进而诱发枝晶生长与副反应，这一问题在高沉积容量条件下尤为显著。相比于其它晶面，（101）晶面不仅可实现致密的外延生长，还能显著提升高沉积容量下的离子反应动力学。但（101）晶面的高反应活性也对锌负极的稳定性提出了新挑战：高活性晶面通常伴随较强的析氢反应活性，若未加调控，会在界面处形成无序副产物层，导致锌沉积偏离（101）晶面。此外，（101）晶面的表面原子呈不均匀波浪状排列，这种非平整界面易形成空间电荷层，并由此产生局部电场，加速枝晶生长。
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文 章 简 介
为了实现具有快速动力学的（101）晶面取向的无枝晶锌负极，华南理工大学梁振兴教授和宋慧宇教授课题组提出了一种优化界面分子/离子浓度及电场的策略，以诱导具有（101）晶面取向的无枝晶锌负极。通过采用2-巯基乙烷磺酸钠作为添加剂，研究表明2-巯基乙烷磺酸根（MES）阴离子在锌负极界面处富集，并调节了界面的吸附环境，从而实现了界面处阴离子的高浓度聚集。该策略有效消除了锌负极表面水分子的存在，最大限度地减少了副反应，并促进了锌沿（101）晶面定向生长。同时，界面处的高浓度MES阴离子能够有效补充SO42-阴离子的消耗，减缓了空间电荷层的形成，进而抑制了枝晶生长。因此，该策略能够确保一致的界面电场、均匀的电场分布，以及（101）晶面取向的无枝晶锌负极。该工作近期以“A dendrite-free Zn anode with oriented (101) crystal plane under fast kinetics by regulating interfacial electric fields”为题发表在Nano Research上。该文章的第一作者为华南理工大学2021级博士研究生闫童，通讯作者为华南理工大学宋慧宇教授和梁振兴教授。
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本 文 要 点
要点一：利用MES阴离子在锌负极表面的吸附能力来优化界面分子/离子浓度和电场分布。
要点二：有效地减少了锌负极表面H2O的存在，减少了副反应，诱导了Zn（101）晶面的定向生长。
要点三： 界面处高浓度的MES阴离子可有效防止SO42-阴离子耗竭引起的空间电荷效应，从而抑制由局域电场引起的枝晶生长。
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图 文 速 递
图1. MES对锌负极界面结构和锌沉积行为影响的示意图。
图2. a) H2O、ES、MES在不同Zn晶面上的吸附能；b) 在Na2SO4和MES/Na2SO4电解质中进行5个循环CV测试过程中EQCM的质量变化；c-d) ZnSO4和MES/ZnSO4电解质体系的分子动力学模拟快照；e-f) MD模拟得到的不同电解质中MES、H2O和SO42-相对于锌负极的浓度分布；g-j)在不同电解液中锌沉积过程中锌负极表面的原位拉曼光谱。
图3. a-b) MD模拟所得的ZnSO4和MES/ZnSO4中的RDF和配位数；c-e) H2O、SO42-和Zn2+在ZnSO4和MES/ZnSO4中的扩散系数；f) Zn2+在ZnSO4和MES/ZnSO4中的迁移数；g-h)用ZnSO4和MES/ZnSO4模拟Zn电极上Zn2+浓度场分布。
图4. a) ZnSO4和MES/ZnSO4电解质的LSV曲线；b) ZnSO4和MES/ZnSO4电解质的Tafel曲线；c)通过非原位XRD研究锌片在不同电解质中的抗腐性能；d) Zn//Cu电池的CV曲线；e)Zn//Zn对称电池的CA曲线；f-g)在铜箔上镀锌3 h后的共聚焦激光扫描显微镜图像；h-i)利用相场模拟Zn2+在不同电解质中的沉积过程。
图5. a-b)锌负极的表面电场分布；c-d) 锌负极的表面杨氏模量分布；e-f)锌负极的SEM图像；g-j)锌负极的EBSD和极图；k-l) 锌负极在在不同电解质中经过不同循环次数后的XRD谱图；m-n) 锌负极在不同电解质中经过不同循环次数后对应的RTC; o) 锌负极在MES/ZnSO4电解液中沉积/剥离过程中（002）、（100）和（101）晶面的原位XRD演变；p) MES吸附在Zn不同晶面上后与Zn原子的结合能。
图6. a-b) Zn//Zn对称电池在1和5 mA cm-2下的电压分布图；c) Zn//Zn对称电池静置30天后的电压分布图；d) Zn//Cu非对称电池的库伦效率；e) 高正极载量的Zn//VO2全电池的循环性能；f-g) N/P为3.9的Zn//VO2全电池的循环性能；h) 软包Zn//VO2电池的循环性能。
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结 论
本研究利用MES阴离子来优化锌负极界面的界面浓度和电场分布。首先，MES 阴离子诱导锌离子在（101）晶面优先沉积，实现了兼具快速反应动力学与致密性的外延生长。其次，界面处高浓度的 MES可有效补充界面上耗尽的SO42-，延缓空间电荷层形成，从而抑制枝晶生长。同时，MES的界面富集可排除锌负极表面吸附的水分子，最大限度抑制副反应，进而引导锌离子沿（101）晶面定向生长。综上，该策略成功构建了电场分布均匀、模量一致的（101）晶面取向无枝晶锌负极。
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文 章 链 接
Tong Yan, Boyong Wu, Sucheng Liu, Cong Xiang, Mengli Tao, Lei Niu, Jinhui Liang, Zhiming Cui, Li Du, Huiyu Song* and Zhenxing Liang*, A dendrite-free Zn anode with oriented (101) crystal plane under fast kinetics by regulating interfacial electric fields, Nano Research, 2025,
https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907601
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通 讯 作 者 简 介
宋慧宇，华南理工大学教授、博士生导师。1993-2002年在中国科学技术大学完成本科至博士阶段的学习，随后在中山大学做博士后研究，2004年加入华南理工大学化学与化工学院，2015年前往马里兰大学帕克分校胡良兵教授课题组交流学习。主要从事电化学能源转换和存储器件的研究，开展了水系锌离子电池、锂/钠离子固态电池、锂空电池、锂硫电池、金属锂/锌负极保护、燃料电池催化剂等方向的工作。迄今已在Nano Research, Nature Communications, Angewandte Chemie, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Small等知名学术期刊上发表60余篇论文。主持国家自然科学基金，国家重点研发计划子课题，国家自然科学基金重点项目子课题以及广东省自然科学基金等项目。
梁振兴，华南理工大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者。2001年获山东大学学士学位、2004年获中国科学院大连化学物理研究所硕士学位、2008年获香港科技大学博士学位，曾赴美国德州大学奥斯汀分校做访问学者。现任华南理工大学化学与化工学院副院长、广东省燃料电池技术重点实验室主任、广东省电化学能源工程技术研究中心主任、Chinese Journal of Catalysis副主编, 中国化工学会储能工程专业委员会副主任委员、中关村储能产业技术联盟液流电池储能技术专业委员会副主任委员、广东省材料研究学会副理事长等。研究领域为氢能与燃料电池、液流电池和锂/钠/锌离子电池，具体包括：多尺度电化学研究方法、电极反应动力学、电池用关键材料、多孔电极荷质传递过程研究等。近年来，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Eng. Sci., ACS Catal., Adv. Funct. Mater.等国际著名期刊上发表SCI论文150余篇；申请专利30余项，授权10项；主持国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点支持项目及省市重大专项20余项，获得教育部自然科学二等奖。
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第 一 作 者 简 介
闫童，华南理工大学2021级博士研究生，研究方向为水系锌离子电池负极表界面稳定性调控及机理研究。硕博期间，曾2次荣获研究生国家奖学金和3次校长奖学金等荣誉。迄今以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文10篇，包括Nano Research、Angewandte Chemie、ACS Nano、Energy Storage Materials（2篇）、Journal of Materials Chemistry A（3篇）和Journal of Power Sources等期刊，其中含2篇ESI高被引论文。
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