中國科學技術大(dà)學工程科學學院特任教授談鵬團隊揭示鋅電沉積過程中的(de)濃度調節機理(lǐ)，爲下(xià)一代水(shuǐ)系鋅基電池的(de)鋅均勻沉積提供調控策略。10月(yuè)23日，相關研究成果在線發表于美(měi)國《國家科學院院刊》。

　　水(shuǐ)系鋅基電池由于具有高(gāo)能量密度、高(gāo)安全性和(hé)低成本優勢，在下(xià)一代大(dà)規模儲能中表現出巨大(dà)的(de)潛力，但鋅電極的(de)枝晶生長(cháng)嚴重制約商業化(huà)進程。爲實現均勻且高(gāo)度可(kě)逆的(de)鋅沉積，文獻中報道了(le)許多(duō)策略，例如，改變電極結構和(hé)比表面積、引入塗層修飾和(hé)應用(yòng)添加劑優化(huà)電解質成分(fēn)等。事實上，鋅沉積是一個(gè)從液相到固相的(de)晶體析出過程，這(zhè)與電解質中的(de)離子濃度密切相關。然而，鋅電沉積過程中的(de)離子輸運動力學作用(yòng)機理(lǐ)缺乏系統而深入的(de)研究。

　　研究團隊通(tōng)過電化(huà)學測試、形态表征和(hé)多(duō)尺度模拟，揭示鋅電沉積過程中的(de)熱(rè)力學和(hé)動力學的(de)競争關系，闡明(míng)濃度變化(huà)導緻的(de)形貌演變過程，并通(tōng)過弛豫方式驗證濃度調節電沉積形貌的(de)有效性和(hé)重要性。

　　首先，通(tōng)過分(fēn)子動力學和(hé)有限元模拟，揭示鋅電沉積過程中的(de)熱(rè)力學和(hé)動力學的(de)競争關系。基于單晶銅基體，初期的(de)鋅晶體生長(cháng)是受熱(rè)力學控制的(de)外延生長(cháng);随著(zhe)電沉積的(de)進行，電極電解液界面的(de)離子濃度迅速降低，導緻濃差過電位急劇上升，從而超越熱(rè)力學影(yǐng)響，轉變爲動力學控制。

　　進一步，結合形态表征和(hé)相場(chǎng)模型，揭示鋅電沉積過程中濃度變化(huà)導緻的(de)形貌演變過程。起初，鋅沉積是由多(duō)個(gè)二維片狀組成的(de)層狀結構，不同層數的(de)二維片導緻局部區(qū)域形成凸起和(hé)凹陷，而高(gāo)度差的(de)存在造成鋅電沉積過程中不同位置接觸的(de)離子濃度差異較大(dà)，進而導緻界面生長(cháng)速率的(de)差異逐漸加大(dà)，加劇電沉積形态的(de)高(gāo)度差，最終導緻形态演變。

　　最後，通(tōng)過弛豫的(de)方式驗證濃度在鋅電沉積中的(de)調節機理(lǐ)，并深入分(fēn)析影(yǐng)響弛豫時(shí)間的(de)兩個(gè)重要因素，即動力學的(de)電流密度和(hé)電池結構的(de)電極間距。研究發現，弛豫時(shí)間和(hé)二者均呈正相關，并且對(duì)電極距離更敏感，這(zhè)是因爲在長(cháng)距離輸運中緩慢(màn)的(de)擴散速率更爲明(míng)顯。

　　研究人(rén)員(yuán)介紹，該團隊基于學科交叉的(de)思想，将傳質、電化(huà)學、力學等學科相融合，成功揭示鋅電沉積過程中的(de)離子濃度作用(yòng)機理(lǐ)，爲發生相變的(de)金屬基電池均勻沉積提供重要指導。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2307847120

　　作者：王敏 來(lái)源：中國科學報 發布時(shí)間：2023/10/26 16:51:34