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每年從可持續間歇性能源（如風能和太陽能）中產生的電力不斷增加需要有成本效益和可靠的電化學能源儲存。基于多價金屬負極（如鋅、鋁和鐵）的可充電池，利用大規模生產和可負擔的成本的優勢，已經成為有前景的候選人。然而，由無序金屬結晶引起的普通基底上不可控的樹枝狀金屬沉積通常會導致電池過早失效，當樹枝狀金屬在電極上架起橋梁時甚至會引起安全問題。

南開大學陳軍院士等報告了在精心設計的單晶Cu(111)（被稱為s-Cu）基底上，通過最緊密堆積晶體學，構建了一系列具有高可逆性的無枝晶平面金屬負極（Zn, Co, Al, Ni, Fe）。

圖1 金屬在Cu(111)上的外延電沉積

Cu的(111)面與具有面心立方(fcc)、六方緊密堆積(hcp)和體心立方(bcc)晶體結構的金屬的最緊密堆積面具有低晶格失配和高靜電勢差，這促使金屬的沉積具有與基底鎖定的結晶學方向關系。因此，在電沉積過程中，金屬的最緊密堆積面與s-Cu基片水平排列。此外，多種晶體學特征顯示，金屬負極的外延電沉積是沿著其最接近的堆積方向實現的，從而形成了無枝晶平面金屬負極。

圖2 Cu上的Zn的沉積行為

令人印象深刻的是，由此產生的金屬負極表現出100%的首選結晶學取向率。此外，作者提出并證明了以Zn為模型系統的外延電沉積動力學的通用標準。在該標準的指導下，通過增加陽離子的濃度，在前所未有的1 A cm^-2的高電流密度下，可以實現無平面樹枝狀物的Zn負極，并顯示出高可逆性。

通過最緊密堆積晶體學實現的最佳晶體取向和沉積模式，該鋅負極能夠在要求極高的正負電極容量比（N:P為2.3:1）的情況下實現全電池的穩定運行（800次循環，庫倫效率大于99.9%）。這項工作中調節金屬電沉積的通用方法有望促進新興可持續能源儲存/轉換設備的發展。

圖3 外延鋅金屬負極的電化學性能

Metal Anodes with Ultrahigh Reversibility Enabled by the Closest Packing Crystallography for Sustainable Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202209985

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?陳軍院士AM：運用最緊密堆積晶體學構建高可逆性無枝晶金屬負極

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