近日，能源材料科学研究院（IEMS）教师杨先中以第一作者在《能源环境科学》（Energy & Environmental Science，IF=32.4）上发表题为“晶格势场调控的锌同质外延沉积”（Facet-governed Zn homoepitaxy via lattice potential regulation）的研究成果。南昌大学吕燕教授、北京大学刘哲彤博士为共同第一作者，苏州大学孙靖宇教授、阿德莱德大学郭再萍院士和北京大学高鹏教授为共同通讯作者。
水系锌离子电池（AZIB）因其高理论容量、低成本和固有安全性等优点而成为了极具潜力的储能体系。然而，AZIB的实际应用仍然受到锌负极相关问题的限制，主要是枝晶生长和析氢反应。目前已报道了多种策略来提升锌负极的可逆性，主要包括人工界面层构建、电解液优化、电极结构设计等。但是单一的调控策略存在局限性，迫切需要一种综合性策略，使之可以有效地利用累积优势来开发高稳定锌负极。另一方面，调控锌取向沉积是抑制枝晶生长的有效途径。一般认为，沿着Zn(002)晶面的取向沉积具有平整致密的原子排列，可有效抑制析氢反应。最近的一些报道证实沿Zn(100)或Zn(101)晶面的取向沉积也可以有效抑制枝晶。事实上，无论沿哪个晶面沉积，都需要考虑沉积层和衬底的晶格匹配问题，如果沉积层和衬底晶格失配度较高，那么在长期的循环过程中就有可能导致晶格畸变，进而引发枝晶的形成。因此，如果能在多晶锌衬底上实现锌的同质外延沉积则可以从根本上解决上述问题。
本研究采用化学气相沉积方法在锌箔表面生长出亲锌的ZnF2界面层，该界面层可以有效促进电沉积初期锌的均匀成核。更重要的是，CVD的热处理过程使得锌衬底的结晶性大幅提升，使之可以在锌电极表面构建出周期性的晶格势场，从而引导锌离子严格沿着衬底的晶面进行外延沉积。同时为了缓解因ZnF2界面层脱落而引起电场不均匀分布所带来的Zn2+聚集，本研究在电解液中引入了1,3-二甲基咪唑碘（MMImI）离子液体。吸附在锌电极表面的MMIm+可以排斥Zn2+，从而保证了多晶衬底稳定的锌同质外延沉积。基于ZnF2@Zn电极的对称电池和全电池都表现出高稳定性和可逆性。本文展示了通过在多晶锌上实现同质外延沉积来增强锌负极稳定性的新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE00881B
图. 锌同质外延沉积示意图
锌取向沉积是锌离子电池的一个重要研究方向，杨先中老师最近在IEMS吴超教授的指导下对锌取向沉积领域的研究工作进行了全面总结与分析。相关论文以“Crystallographic Manipulation Strategies toward Reversible Zn Anode with Orientational Deposition”为题在Advanced Energy Materials（IF=24.4）杂志上发表。本文第一作者为杨先中老师，通讯作者为吴超教授，第一通讯单位为上海理工大学。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202401293
此外，杨先中老师指导学生针对锌负极集流体研究中存在的瓶颈问题，提出了锌电集流体的六个标准。其成果以《Critical Criteria Depicting the Rational Design of Zn Anode Current Collector》为题在Advanced Functional Materials（IF=18.5）杂志发表。本科生翁高和硕士生董子兴为共同第一作者，通讯作者杨先中老师，第一通讯单位为上海理工大学。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400839
