关注商业锌箔锌枝晶形成内因：晶格缺陷和残余应力

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

水系金属锌电池由于其成本低、安全性高，近年来得到了快速发展，特别是在规模储能领域显示了广阔的应用前景。作为首选的阳极，金属锌存在着严重的锌枝晶问题，大大限制了金属锌电池的实际应用。因为在充放电过程中，不受控制的枝晶生长可能刺穿隔膜，最后连通阳极和阴极，导致内部短路和电池失效。因此，抑制树枝状物的生长对于锌金属电池中锌阳极的实际应用非常关键。然而，研究者们对锌枝晶形成机制的理解仍然不够，大量研究都只停留在了宏观结构上，缺少锌沉积界面原子水平上的深入探究。

近日，中南大学王海燕（点击查看介绍）课题组通过EBSD、球差透射电镜、X-射线宏观残余应力方法对商业压延锌箔中的晶格缺陷和残余应力进行了系统地评估。研究发现，由于缺陷造成的界面异质性沉积行为和残余应力限制的外延生长是锌枝晶形成的重要原因。作者通过简单的退火处理可较好消除晶格缺陷和释放残余应力，最终获得了晶粒规则的锌负极，该电极展现出高度的外延生长行为和高度可逆的电化学性能。这个工作丰富了锌的外延生长条件，除了文献上报道的只与Zn(002)晶面取向有关外，它也可以在与Zn(101)或者Zn(100)晶面匹配度高的基底上进行外延生长，这对锌金属阳极的下一步改性具有重要的指导意义。该文章发表在化学类国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，谢春霖博士为本文第一作者。

Figure 1. SEM images (the inset shows the corresponding grain size distribution curves) of (a) commercial zinc and annealed zinc foils at 400 ºC for (b) 1 h and (c) 12 h, EBSD inverse pole mapping of (d) commercial zinc and annealed zinc foils at 400 ºC for (e) 1 h and (f) 12 h, (g) fitted macroscopic residual stress curves and (h) XRD patterns of different zinc foils, (i) optical images and processing techniques of commercial zinc and annealed zinc foils at 400 ºC for 12 h. scale bar:100 μm.

Figure 2. (a) Preparation of TEM samples with a FIB process, (b) selected area electron diffraction images and (c-d) HRTEM images of annealed zinc foil, (e) HRTEM image and (f-g) FFT images of the corresponding regions 1 and 2 of Figure 2e. (h) HRTEM image of commercial zinc foil.

综上所述，研究者发现商业锌箔在加工过程中形成的晶格缺陷和残余应力可以通过简单的退火过程轻松消除。实验和理论计算结果证实，商用锌阳极中的残余应力和晶格缺陷是锌沉积过程中形成树枝状晶体的重要因素，因为它们诱发了锌表面的异质沉积，限制了锌的外延生长。退火处理后实现重构的锌阳极可实现密集的外延电沉积，从而表现出高度可逆的锌剥离/沉积行为。更重要的是，本文对晶格缺陷和残余应力诱导的枝晶形成机制的深入理解，以及简单的晶体重构方法，可为无枝晶锌负极设计提供指导，该方法可以扩展到其他金属阳极的改性。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Discovering the Intrinsic Causes of Dendrite Formation in Zinc Metal Anodes: Lattice Defects and Residual Stress

Chunlin Xie, Shengfang Liu, Zefang Yang, Huimin Ji, Shuhan Zhou, Hao Wu, Chao Hu, Yougen Tang, Qi Zhang, Haiyan Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218612

通讯作者简介

王海燕，中南大学化学化工学院教授，博士生导师，国家级青年学者，国际先进材料协会会士，香江学者，湖南省科技创新领军人才，湖南省杰出青年基金获得者，湖湘青年英才。曾获国家公派留学University of St. Andrews，曾于香港科技大学从事研究工作。近年来一直从事新能源材料，电池器件及资源绿色循环研究。目前以通讯作者在Nat Commun, Angew. Chem. Int. Ed等国际知名期刊发表论文160余篇，SCI他引8600余次，H指数56。获湖南省自然科学二等奖，重庆市科技进步一等奖等。曾获评侯德榜化工科技青年奖，湖南省首届“我最喜爱的青年教师”，比亚迪优秀教师奖等荣誉。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15191 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：以锌金属作为负极的锌基电池由于其低成本、高安全和较高能量密度在未来大规模储能上有着巨大的应用前景。而锌金属负极在循环过程中的枝晶问题限制了它的实际应用，深入探究锌枝晶产生的原因就显得至关重要。晶体结构调控已经被广泛应用于锌负极的调控中，但是在原子水平上的枝晶形成机制的研究仍是缺乏的，因此我们想去深入探究晶体中的缺陷如残余应力、晶格位错等对锌枝晶产生的影响，于是开展了相关工作。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：金属负极的缺陷与应力的表征有较大难度，同时如何排除其他干扰因素得到合理的结论也很关键。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该项成果丰富了金属外延生长的理论，它表明晶体本征的晶格缺陷和残余应力造成的界面异质性沉积和限制性外延生长也是阻碍金属外延电沉积的重要因素，这个思路可拓展到其它金属负极调控，以指导开发出更为高效的枝晶抑制方法。