Angew. Chem. ：通过调控电沉积电流实现特定晶面取向金属锌负极的可控制备

发展高效、安全、可持续的先进电池技术是应对全球能源与环境危机的有效途径。其中，水系可充锌电池具有全性高、资源丰富、无毒环保等优点，在大规模储能领域中展示出良好应用前景。但是，传统金属锌负极在水系电解液中存在锌枝晶生长、氢析出、腐蚀等问题，阻碍了高性能水系锌电池的发展。作为一种六方密堆积结构（hcp）金属，锌(002)晶面具有最低的表面能和最高的析氢能垒，能够有效抑制电极界面副反应。因此，具有高度(002)晶面取向的金属锌负极（Zn(002)）有望提升水系锌电池可逆性和使用寿命。然而，如何实现可控制备Zn(002)仍面临着很大的挑战。

近日，河北大学化学与材料科学学院张宁教授课题组研究发现通过调控电沉积电流密度可以实现具有(002)晶面择优取向金属锌的可控制备。利用两电极电沉积体系为研究模型（Zn(CH₃COO)₂水溶液为电解液，商业化Cu箔为导电基底），通过将电沉积电流密度从20 mA cm^-2 提升至80 mA cm^-2，发现所制备的金属锌逐渐由(101)晶面取向演变为(002)晶面取向。此外，这种电流调控策略无需使用特定的导电基底和特定电解液，即使在低价ZnSO₄电解液以及其他导电基底（如钛箔、不锈钢）体系中仍然可以实现Zn(002)可控制备。

结合实验表征和理论计算模拟，揭示了电流密度对锌晶面取向演变、锌成核以及生长过程的作用机制。一方面，高电流密度可以降低锌成核尺寸，而提升成核密度，有利于金属锌的均匀沉积；另一方面，高电流密度可以提升锌(100)晶面的生长速度（Zn离子在(100)表面吸附能最低），进而诱导了锌(002)晶面的优先暴露。

此外，研究表明所制备的Zn(002)负极能有效抑制枝晶生长和氢析出，其经历600次循环后仍具有99.8%的平均库伦效率，而且在20 mA cm^-2和10 mAh cm^-2测试条件下可实现深度放电循环稳定性（37.5% DOD）。相比于传统Zn(101)负极，基于Zn(002)负极可充水系锌全电池（如Zn(002)//ZVO和Zn(002)//MnO₂）具有更加优异的电化学性能，显示出了重要应用前景。这种电流诱导锌晶面择优取向的有效策略为制备高性能金属锌负极提供了新思路，有望启发其他金属电极材料的可控电化学合成。

论文信息

Realizing Textured Zinc Metal Anodes through Regulating Electrodeposition Current for Aqueous Zinc Batteries

Wentao Yuan, Xueyu Nie, Guoqiang Ma, Mengyu Liu, Yuanyuan Wang, Shigang Shen, and Ning Zhang*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218386