《Science》：电池负极中的金属可逆外延生长电沉积！学术资讯

来源：材料科学与工程

随着能源问题的日益紧迫，人类亟需构建以可再生能源为主导的新的能源结构。在新能源储存方面，可充电的金属负极电池是一个崭新的发展方向。这类金属电极在能量密度方面具有显著的优势，却无法控制电池充电时金属的生长方式。为了解决这一问题，美国康奈尔大学Lynden A. Archer教授团队与纽约州立大学石溪分校、布鲁克海文国家实验室和美国国家标准与技术研究院合作引入了外延生长（epitaxy）的概念来调控金属的沉积形貌，以锌金属负极为示例，使得锌沉积/溶解的可逆性达到了99.9%，循环寿命达到了传统锌电极的100倍。文章已在Science杂志上发表，上海交大材料学院17届本科毕业生郑景旭为第一作者。

文章链接：

https://science.sciencemag.org/content/366/6465/645/tab-pdf

新型储能与可充电金属负极电池

目前能源是人类社会面临的关键问题之一，传统化石能源被不断消耗。有研究指出，石油资源将在未来约30年内枯竭，我们急需开发相关的科技，构建以可再生能源为主导的能源结构。然而，不少可再生能源的收集是间断的，如太阳能和风能，到了夜间或无风之日则无法收集。因此，还需要可靠的储能技术，将收集到的可再生能源以电化学的形式储存起来，以便在任何我们需要的时候进行利用。

可充电的金属负极电池是一个比较新的概念，相比于商用的嵌入式负极，这类金属电极的最大优势是在于能量密度高，但问题是，在电池充电时，金属会以不可控的方式生长，也就是我们通常说的“枝晶”。这是很危险的，因为这种生长方式会让金属刺穿隔膜，导致正负极直接连接，发生短路——轻则电池失效，重则发生火灾。

外延生长调控金属电沉积形貌

这篇文章中，郑景旭及同事引入了外延生长（epitaxy）的概念来调控金属的沉积形貌。其灵感很大部分来源于在上海交通大学本科阶段的研究。期间，他经常利用透射电镜观察金属材料中的各种共格界面，这些界面是在冶金的过程中形成的，使得某一相（secondary phase）和基体（matrix）具有某种特定的位向关系。事实上，这种关系也可以在电化学沉积中实现。于是，他利用暴露特定晶面的基底（substrate），通过这种共格界面外延生长的方式，在原子级别调控金属的电化学沉积，从而获得了非常规律、平整的金属沉积形貌。

文章以锌金属负极为示例，实验结果显示，锌沉积/溶解的可逆性达到了99.9%，循环寿命是传统锌电极的100倍。

未来应用领域广泛

可充电的金属负极电池是一个极富潜力的领域。针对自己的工作，郑景旭也做好了一些未来的设想。第一，在电池领域，他的这种方法可以拓展到所有利用金属电极的电池体系中，例如锂金属、铝金属等等——这将给电池的能量密度和寿命带来非常大的实质性的提升，提升程度甚至可能是数量级的。第二，在催化领域，能够在原子的层面调控金属的沉积形貌。这是一项基础性的技术。虽然在文章中，他们主要以电池作了示范，但目前，郑景旭也在持续努力，开发这项技术在电催化方面的应用。

来源：上海交通大学材料学院

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