水系锌基电池是一种理想的大规模储能电源，兼具高安全性和价格优势，但是其存在的问题也十分显著。例如，锌负极在沉积溶解的过程中容易形成枝晶并刺穿隔膜，这会引起电池的短路，从而导致其寿命大幅缩短。

为提高电池寿命，锌负极的问题亟待解决，普遍的解决方案是对电极界面进行改性，或者在电解液中加入添加剂来稳定锌负极。然而，目前关注锌负极本身沉积溶解行为的研究较少。

近日，香港城市大学材料科学与工程系支春义教授团队分析了锌基电池中的锌负极在处于不同电化学状态时，其工作寿命所受到的影响，并基于此提出了一种预沉积策略，可使对称电池中的预沉积锌电极均匀地完成剥离和电镀过程。

6 月 27 日，相关论文以《通过电化学协议优化为长效水锌电池定制金属电极形态》（Tailoring the metal electrode morphology via electrochemical protocol optimization for long-lasting aqueous zinc batteries）发表在 Nature Communications 上，支春义担任通讯作者，香港城市大学材料科学与工程系博士生李清为第一作者。

▲图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

据了解，他们的工作首先是发现了一个比较独特的现象，然后基于现象提出了较为简便的锌负极解决方案。

一般来说，评估锌负极的话会用对称电池，即使用两个锌电极交替地进行沉积溶解来判断电极的稳定性。但事实上，两个看似对称的电极，在某种程度上说是不能等同视为对称的，因为其中一个电极的初始过程是沉积，另一个电极的初始过程则是溶解。

基于这一区别，该团队分别对两个电极进行了沉积溶解行为的分析。结果发现，对于先发生溶解的电极，电极在初次溶解的时候会出现不均匀溶解，从而形成一些凹陷，凹陷处则会成为下次沉积时候的活性位点，并不断地生长枝晶；对于先发生沉积的电极，这种不均匀的沉积行为有所缓解。

不同于在组装之后处于放电态的锂离子电池，典型的锌离子电池组装之后通常处于充电的状态，在首次使用时需要进行放电，对应来说，锌电极此时会进行溶解反应。

支春义表示，现在大家的普遍关注点在于对直接沉积形貌的调控，而溶解行为的相关研究较少。此次他们发现的两个电极的不同行为现象，对锌负极的研究是有具有实际指导意义的。

为此，该团队开发了一种新型预沉积策略，来提高锌负极在后续沉积溶解的均匀性和稳定性。研究过程中，研究人员发现，随着电流密度的增大反而让初始沉积的锌更加均匀了，这可能是因为形成了更多的成核位点以及更好的致密形貌，因此他们采用了一个较大的电流密度进行预沉积，同时预沉积的形貌和均匀性也促进了后续的锌负极的稳定性。

▲图 | 电镀和剥线之间的区别示意图（来源：Nature Communications）

审稿人也提到，该工作的出发点和立意是非常新颖的。其实，锌负极的沉积和溶解行为是不可分割的，不均匀的溶解自然也会加剧沉积的不均匀性，该研究将启发相关的科研工作者从不同的角度去看待锌负极的稳定性，然后更全面地去看待问题。

据悉，该研究的第一个阶段是现象的发现，他们在电解池中对两个对称的锌电极进行沉积溶解实验的时发现，初始进行沉积的电极和初始进行溶解的电极表现出不一样的形貌，随即决定要分开研究这两个电极来寻找原因和机理。

第二阶段主要是实验的验证以及细节的分析。课题组分别对这两个电极的电势变化以及细节的沉积溶解形貌的变化进行了研究，并验证了之前发现的现象，即初始溶解的电极会在最开始形成不均匀的凹陷，在后续的沉积溶解中会加剧枝晶的生长和电极的不均匀性。此外，他们还在这一阶段发现了新鲜沉积的锌和大块的锌在动力学上面的区别，并验证了不可逆锌的形成。

▲图 | 剥离或电镀后锌金属电极的移地显微镜研究（来源：Nature Communications）

第三阶段，他们开始将研究结果与实际结合来改善锌负极的稳定性，在锌负极上面引入预沉积的策略来有效减缓枝晶的形成。在这个阶段，该团队通过研究锌的沉积形貌和沉积条件的关系，发现在不同基底以及电解液中，预沉积层的形貌都随着电流密度的增加而更加均匀，并以此选定了预沉积策略的实施条件。

在第四阶段，课题组对对称电池、锌二氧化锰电池以及锌碳电池的性能进行了多方面验证和分析表征，以证实其提出的预沉积策略的有效性。

支春义表示，其发现的现象和提出的策略主要适用于锌基电池的枝晶减少和寿命延长，他们也希望锌基电池能在结合其他一些优化策略后，未来在大规模储能方面得以广泛应用。

▲图 | 支春义（来源：支春义） 

此外，他谈到，在实际应用中，锌负极的稳定性的影响因素非常多，单单只考虑一种或者两种因素的话得出的结果可能有所偏颇，如果能把更多的影响因素都进行详细的研究和机理分析并有机结合起来，才有可能真正的开发出一个可工业化的锌负极，将锌基电池产业化往前推进。

因此，下一步该团队计划在更多的维度研究锌负极的稳定性，包括锌的不同形态以及充放电深度等方面，从实用性角度出发去做一些能够促进锌基电池产业化和实际应用的发展研究。