【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊揭示了鋅電沉積過程中的濃度調節機理，為下一代水系鋅基電池的鋅均勻沉積提供了調控策略。相關成果于10月23日在國際著名學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)以直投方式(Directsubmission)在線發表了題為“Revealing the missing puzzle piece of concentration in regulating Zn electrodeposition”的研究論文。
水系鋅基電池由于具有高能量密度、高安全性和低成本在下一代大規模儲能中表現出巨大的潛力，但鋅電極的枝晶生長嚴重制約了商業化進程。為了實現均勻且高度可逆的鋅沉積，文獻中報道了許多策略，例如改變電極結構和比表面積、引入涂層修飾和應用添加劑優化電解質成分等。事實上，鋅沉積是一個從液相到固相的晶體析出過程，這與電解質中的離子濃度密切相關。然而，鋅電沉積過程中的離子輸運動力學作用機理缺乏系統而深入的研究。
研究團隊通過電化學測試、形態表征和多尺度模擬揭示了鋅電沉積過程中的熱力學和動力學的競爭關系，闡明了濃度變化導致的形貌演變過程，并通過弛豫方式驗證了濃度調節電沉積形貌的有效性和重要性。
首先，通過分子動力學和有限元模擬揭示了鋅電沉積過程中的熱力學和動力學的競爭關系。基于單晶銅基體，初期的鋅晶體生長是受熱力學控制的外延生長；隨著電沉積的進行，電極電解液界面的離子濃度迅速降低，導致濃差過電位急劇上升，從而超越熱力學影響，轉變為動力學控制。
圖1 鋅電沉積過程中熱力學和動力學的競爭關系
進一步，結合形態表征和相場模型揭示了鋅電沉積過程中濃度變化導致的形貌演變過程。起初，鋅沉積是由多個二維片狀組成的層狀結構，不同層數的二維片導致局部區域形成凸起和凹陷，而高度差的存在造成鋅電沉積過程中不同位置接觸的離子濃度差異較大，進而導致界面生長速率的差異逐漸加大，加劇了電沉積形態的高度差，最終導致形態演變。
圖2 濃度變化導致的形貌演變機理
最后，通過弛豫的方式驗證了濃度在鋅電沉積中的調節機理，并深入分析了影響弛豫時間的兩個重要因素，即動力學的電流密度和電池結構的電極間距。研究發現，弛豫時間和二者均呈正相關，并且對電極距離更敏感，這是因為在長距離輸運中緩慢的擴散速率更為明顯。
圖3 濃度調節機理的概念驗證
談鵬教授團隊基于學科交叉的思想，將傳質、電化學、力學等學科相融合，成功揭示了鋅電沉積過程中的離子濃度作用機理，為發生相變的金屬基電池均勻沉積提供了重要指導。
我校工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，博士研究生趙忠喜為第一作者。特別感謝中國科學技術大學微納研究與制造中心、理化科學實驗中心和工程與材料科學實驗中心對本工作形態表征的支持。
該研究得到了安徽省自然科學基金、國家創新人才計劃青年項目、中國科學院人才項目和中國科大啟動經費的支持。(熱科學和能源工程系)
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