近日，化材學院胡勇教授等人在國際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》（中科院1區Top，IF=27.8）在線發表題為《分層親鋅納米棒陣列通過先捕獲后填平沉積實現超穩定鋅負極》（Arrays of hierarchical zincophilic nanorods with trapping-and-leveling deposition for ultrastable Zn metal anodes）的研究論文，證明了由氮摻雜碳包覆Cu5Zn8合金構筑的核殼納米棒陣列（Cu5Zn8@NC）可以均勻負極界面離子通量并降低局部電流密度，實現超長的鍍鋅/剝離循環。
水系鋅離子電池具有高安全性和低成本等優勢，是當前最具前景的儲能技術之一。然而，由于鋅負極表面存在嚴重的枝晶、析氫副反應以及腐蝕等問題，極大地限制了鋅離子電池的商業化應用。目前，基于電極/電解液界面電化學反應調控的表面修飾策略已被證明能有效穩定鋅金屬負極。其中，設計先進的微界面結構緩解鋅枝晶的形成，對于確保鋅離子電池在嚴苛測試條件下的長期運行至關重要。因此，在導電基底上構造三維多孔納米結構增大比表面積，降低局部電流密度并提供豐富的鋅離子沉積位點，可以有效解決鋅負極存在的問題。
基于此，胡勇教授課題組報道了在泡沫銅上開發核殼納米棒陣列穩定鋅負極。該納米棒陣列由氮摻雜碳包覆Cu5Zn8合金組成(Cu5Zn8@NC)。內層Cu5Zn8合金具有較小的成核能壘，可作為優先成核位點。分層陣列作為保護層，可容納高容量的鍍鋅，通過“先捕獲后填平”機制引導鋅沉積。所得的保護層在均勻界面離子通量和降低局部電流密度方面起著重要的作用。優化后的Cu5Zn8@NC負極在5000次鍍鋅/剝離循環中庫侖效率高達99.7%。對稱電池在1 mA cm–2和1 mAh cm–2下具有7000小時的超長循環壽命，過電位僅為16.5 mV。組裝的鋅離子全電池在10000次充放電循環后，容量保持率高達89.2%。
DFT理論計算展示鋅原子在Cu5Zn8表面的吸附能為–1.07 eV，說明這種合金組分可以作為親鋅位點進行優先成核，并在電場驅動下促進“自內向外”的鍍鋅過程。差分電荷密度再次表明鋅在Cu5Zn8表面上存在比銅金屬更為明顯的電荷轉移。此外，理論計算模擬了鋅分別在Zn (002)、Cu (111)和Cu5Zn8 (110)晶面上相鄰能量最小值的擴散路徑。計算得到的Cu5Zn8擴散能壘為0.84 eV，遠高于純Zn（0.03 eV）和Cu（0.34 eV），證明合金有利于鋅離子的沉積固定。有限元模擬結果表明，Cu5Zn8@NC有望均勻局部電場和濃度場分布，促進電極/電解液的充分接觸。
（化材學院 劉歡歡）
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