三峡大学曹金&杨学林&浙大陆俊 AEM：通过化学抛光去除表面钝化层并重构晶面以实现可逆锌负极

第一作者：曹金、王旭、钱尚书

通讯作者：杨学林*、陆俊*

单位：三峡大学、浙江大学

水锌离子电池（ZIBs）由于其高理论比容量、低氧化还原电位、高安全性和环保性等优势受到了广泛关注。这些特性使其在未来的大规模储能系统中极具应用前景。然而，锌金属负极的实际进展面临着巨大的障碍，主要原因为锌枝晶的生长和其他副反应。由于商业锌箔表面粗糙且具有不均匀的钝化层，导致了Zn²⁺的不均匀沉积，从而促进了循环过程中的枝晶生长。同时，析氢和腐蚀等副反应也会导致ZIBs出现库伦效率较低和循环性能差等问题。为了缓解这些问题，研究者们对许多策略进行了广泛的研究，包括锌负极主体结构设计，锌负极界面改性和优化电解液的组成等。值得注意的是，电解液/电极界面的设计，特别是建立人工固体电解质界面层（SEI）和调控晶体取向等方法，已经成为抑制枝晶生长和减缓腐蚀等副反应的有效途径。然而，目前所报道的一些相关方法往往需要复杂的制备步骤和较高的制造成本。因此，设计一种低成本、制备简单且十分有效的锌阳极表面改性方法，具有重要的研究价值。

近日，来自三峡大学的曹金副教授、杨学林教授联合浙江大学陆俊教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“De-passivation and Surface Crystal Plane Reconstruction via Chemical Polishing for Highly Reversible Zinc Anodes”的研究论文。该文章通过简单的浸泡过程，得到了一种化学抛光的锌金属负极（CP-Zn）。这种“化学抛光”过程可以有效地去除界面钝化层，为电镀/剥离提供了充足的活性位点，确保了均匀分布的电场和Zn2+通量。此外，化学抛光过程中的选择性刻蚀使锌金属表面暴露出了更多的（002）晶面，促进了均匀的锌沉积，同时抑制了相关副反应。通过测试证明，使用CP-Zn组装的对称电池在1 mA cm⁻²的条件下可以稳定循环4600小时，CP-Zn||VO₂全电池在3Ag⁻¹的条件下循环1000圈后容量保持率接近75.3%。这种化学抛光策略为推进水系锌离子电池的商业化提供了一条很有前景的途径。

综上所述，本研究提出了一种提高锌金属负极电化学性能的“化学抛光”策略。该方法通过将锌箔浸泡在六偏磷酸钠溶液中，有效地去除了锌金属表面钝化层，并使其暴露出更多的（002）平面。通过将理论计算与二维XRD、XPS和XANES分析等实验表征相结合，确定了化学抛光过程中的去钝化过程和（002）晶面暴露机理。CP-Zn负极促进了锌的均匀沉积，减轻了副反应，稳定了界面电荷转移阻抗，并促进了锌金属负极在不同的电流密度下的可逆性。值得注意的是，在电流密度为10 mA cm⁻²、DOD值为50 %的恶劣条件下，CP-Zn||CP-Zn对称电池在240 h内表现出显著的稳定性。此外，使用CP-Zn负极组装的全电池也表现出突出的循环性能，在3Ag⁻¹的条件下进行1000次循环后，其容量保持率高达73.5 %。

本研究中所展示的简单和高效的改性策略，为制备高可逆性锌负极提供了新的指导，并将有助于水系锌离子电池的发展。

曹金，三峡大学校聘副教授，2022年博士毕业于泰国朱拉隆功大学，香港城市大学访问学者，入选“2021年度国家优秀自费留学生”和“国家级博士后专项”。主要从事水系储能器件相关的研究，以第一作者/通讯作者在Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano等国际学术期刊上发表论文40余篇，12篇入选高被引论文，5篇入选热点论文，累计被引3800余次。主持承担国家自然科学基金、中国博士后面上项目、湖北省自然科学基金、国家重点实验室开放课题和三峡大学人才启动经费等项目。担任《eScience》、《Carbon Neutralization》、《Rare Metals》和《Journal of Metals, Materials and Minerals》等期刊青年编委。

杨学林，二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长，湖北省电池标准化技术委员会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，省政府专项津贴专家，储能新材料湖北省工程实验室主任，三峡大学材料与化工学院党委书记、分析测试中心主任、储能技术研究院院长。2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，同年加入三峡大学从事储能电池材料研究。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文150余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，与企业共建新型石墨材料国家地方联合工程研究中心、储能新材料湖北省工程实验室等科技平台，为宜昌新能源和新材料产业创新发展起到了积极的推动作用。

陆俊，教授，国家级高层次人才，研究领域聚焦在高性能正极/负极材料、先进表征技术、锂金属电池、锂硫电池、锂空电池、下一代电池技术以及电池回收等方面，主持或参与了储能电池电极材料及其关键技术、催化材料设计与合成等多个研发项目，以通讯作者/第一作者发表SCI收录论文超过500篇，其中包括Science、Nature及其子刊Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Review Materials、Nature Communications共计超过60篇，论文总引用数超过60000次，H指数超过137；在2018−2022年连续入选科全球高被引科学家，尤其是2021-2022年连续在材料科学和化学双学科领域入选，专利超过20项；担任ACS Applied Materials & Interfaces副主编，电化学协会（ECS）电池分部成员，国际电化学能源科学院副委员和董事会委员，荣获电化学能源存储与转换领域内20多项重要奖励，包括全球百大科技研发奖（2019, R&D 100 Award，即美国科技界的“奥斯卡”创新奖）、美国电化学会电池分会技术奖（Battery Division Technology Award, ECS, 2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）。