水系鋅離子電池是一種很有前途的電化學儲能技術。然而,鋅枝晶的形成會危及電池循環壽命,從而阻礙該技術的工業應用。在工作條件下,對其結構、動力學和化學特征進行全面研究對于改進鋅離子電池至關重要。在此,美國SLAC國家加速器實驗室劉宜晉研究員、上海交通大學李林森副教授等人采用原位X射線斷層掃描和operando X射線成像技術研究了內部開發的水系鋅離子電池中的Zn電鍍/剝離行為。具體而言,作者在三維多孔Cu泡沫上電化學電鍍Zn,并揭示電極配置和局部形態如何共同調節Zn電鍍行為。通過對斷層掃描成像數據的高級量化和分析,作者發現ZnSO4電解液中的Zn沉積表現出基底-表面-曲率依賴性,Zn2+更易于在具有正局部曲率的凸面基底上成核。此外,X射線成像結果顯示大電流密度會促進電鍍過程中枝晶的形成,并可能導致剝離過程中鋅的不完全溶解。在相同的電化學條件下,在重復的鋅電鍍剝離過程中鋅枝晶的形成和分布相對具有可重復性,而粒狀鋅的形成和分布則表現出更高程度的可變性。圖1. 不同電流密度下重復電鍍/剝離期間電池的X射線成像為了進一步闡明表面化學,作者基于軟X射線吸收光譜(sXAS)揭示不同電化學循環后負極表面的電子結構和化學價態。結果顯示,在暴露于ZnSO4電解液時,Cu基底表面會自發還原,這嚴重影響了Zn沉積物的成核和生長行為。這項研究表明,為了開發無枝晶和高度可逆的水系鋅離子電池,形態-結構-表面協同設計是必不可少的。應該注意的是,一些觀察到的有害影響在標準電池配置中可能不那么嚴重。然而,觀察到的現象具有根本意義,并且報道的規律對于設計下一代鋅電池很有價值。此外,在長時間的循環中,有害的副反應如析氫和表面鈍化等將變得難以處理。總之,作者展示了一種研究金屬離子電化學沉積/溶解行為的先進方法,這對于其他可充電電池的改進也至關重要。圖2. 重復電鍍-剝離過程中鋅層的斷層掃描和sXAS分析Structural, Dynamic, and Chemical Complexities in Zinc Anode of an Operating Aqueous Zn-Ion Battery, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200255