山大陈皓、刘宏、王书华教授课题组，Nano Energy：可逆锌金属电池尖端聚集的堆积压力场分布对降低非活性锌损失的调控机制研究

第一作者：刘瑶瑶

通讯作者：王书华*，刘宏*，陈皓*

单位：山东大学，山东省工业研究院，济南大学

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随着清洁能源和大规模储能系统市场的不断扩展，开发资源丰富、成本效益高、长寿命且具有高度安全性的创新电池技术已成为研究热点。地壳中丰富的锌（Zn）资源（约占0.0075%）以及锌金属负极较高的比容量（820 mAh g⁻¹）使锌金属电池在储能领域中展现出显著的应用潜力。此外，锌金属负极和水性电解质的成本效益、低毒性和固有安全性使可充电锌金属电池有望用于大规模储能。然而，目前可充电锌金属电池的生命周期较短，极大地限制了它们在电网规模储能中的实际应用。该问题主要源于锌金属负极中的严重锌枝晶生长和大量非活性锌损失，导致活性材料快速损失、负极容量衰减和电池短路，从而加速电池性能的下降。然而，当前研究主要集中在促进均匀锌沉积、抑制锌枝晶生长或减轻电解质分解反应的电化学策略上。对锌镀层/剥离行为与物理策略（尤其是电池堆压力）之间的相关性进行的全面分析还不够深入。与化学方法相比，堆积压力是一种直接而有效的物理方法，无需修改电极结构或电解质成分。这种方法有望有效调节锌沉积、锌剥离和非活性锌的形成。因此，建立一种将锌沉积形态、非活性锌定量和电池性能与电池堆压力相关联的理论，对于开发和应用高性能锌金属电池技术至关重要。

近日，山东大学陈皓、刘宏、王书华教授课题组，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Tip-localized stack pressure field distribution towards inactive Zn loss reduction for reversible zinc metal batteries”的文章。该文章研究了堆积压力与非活性锌形成之间的定量关系，并发现了堆积过程中施加在锌沉积颗粒上的尖端聚集压力场的影响，将垂直树枝状锌沉积改为致密均匀的结构。同时，由于堆积压力，实现了均匀的锌剥离和减少了非活性锌的形成。在867kPa的最佳堆压下，半电池首圈循环显著减少了86.93%的非活性金属锌损失量，同时半电池的循环寿命延长了500%。这些关于堆压调控非活性锌的机理和构效关系的发现为构建高效的锌金属电池提供了关键的理论见解。

首次揭示在最佳堆压力 (867 kPa) 条件下，尖端聚集堆压力场分布引导水平均匀的锌沉积，同时减少沉积表面积以降低电解液与锌的副反应。在剥离过程中，这种致密的沉积形态有助于从上表面均匀剥离以减少非活性金属锌的形成。并且堆压通过调节电场分布改善了沉积溶解动力学，实现非活性金属Zn⁰从0 kPa时的27.85%降低到867 kPa时的3.64%，这有助于提高锌负极的循环可逆性。

尖端局部堆积压力对改变锌金属负极中电化学副反应（ECSR）产物的物质种类没有明显效果。但是最佳堆压（867 kPa）有效地降低了电极孔隙率（69.79%至32.56%），阻碍了电解质渗透诱导的电化学副反应，将电化学副反应（ECSR）产物的数量百分比从0 kPa时的16.42% 降低到867 kPa时的2.75%，这也有助于提高锌负极的循环可逆性。

由于尖端聚集压力调控效应，Zn-Zn对称电池的循环寿命显著提高200%，Zn-Ti半电池中的镀锌/剥离库仑效率损失和非活性金属锌损失分别降低93.26%和86.93%。无负极Cu||ZnxMVO全电池的循环稳定性在150次循环后也从0%提高到43.99%，该效应为高性能锌金属电池的构建提供了一种通用策略。

Tip-localized stack pressure field distribution towards inactive Zn loss reduction for reversible zinc metal batteries

王书华教授简介：王书华，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师。2019年1月起聘任为山东大学“齐鲁青年学者”。主要从事可充电二次电池方向的研究工作，包括理金属电池、水系锌电池等，以及纳米材料和生物医学交叉学科研究。作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目、青年基金，中国科协“青年人才托举工程”，山东省优秀青年基金等代表性研究论文发表在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Science等国际知名期刊。

刘宏教授简介：刘宏，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，济南大学前沿交叉科学研究院院长，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、J. Am. Chem. Soc.等学术期刊上发表SCI文章400余篇，总被引次数超过26000次，H因子为78，30余篇文章入选高被引论文。2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2022连续五年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。授权专利40余项，有关生化传感器研究在山东大学进行了千万元成果转让，与企业合作进行产业化生产。2019年获山东省自然科学奖一等奖。

陈皓教授简介：陈皓，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家级高层次青年人才，山东省泰山学者青年专家，山东大学杰出中青年学者。主要研究方向为高能量密度锂电池材料、石墨烯基电池材料及铝离子电池材料。在Nature，Science等国际学术期刊上发表50余篇研究论文，其中以第一、共一、通讯作者在Nature Energy、Joule、Science Advances、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等国际学术期刊上发表20篇论文。被引6000余次，ESI高被引论文5篇，热点论文1篇，个人H因子为35，获国际、国内发明专利3项。核心研究成果以“铝－石墨烯电池”新闻被人民日报、新华网等多家媒体报道，2020年，成果荣获美国百大科技研发奖“R&D100 award”。