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第一作者：Zhexuan Liu

通訊作者：周光敏

通訊單位：清華大學深圳國際研究生院

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水系鋅基電池（ZBs）因其固有的安全性、低成本和組裝簡單而受到廣泛研究。然而，大電流密度下鋅沉積的實際行為仍然是一個嚴重的問題，這與高負載下鋅基電池模糊的機理解釋有關。

本研究探討了鋅基電池（ZBs）在大電流密度條件下的鋅沉積行為，這一問題與高負載下ZBs的機制解釋不明確有關。與大電流密度（10-100 mA cm^-2）下由枝晶穿透引起的短路的傳統認識不同，本研究提出隔膜滲透效應，闡明了平滑沉積與短壽命之間的矛盾。

通常，在大電流密度下，由于密集的成核和促進平面生長，會形成致密的鍍層形態。然而，在應用隔膜的情況下，由狹窄隔膜通道產生的局部電流密度增加，將導致Zn²⁺迅速耗盡，將Zn沉積模式從成核控制轉變為濃度控制，最終導致隔膜滲透和短路。

這一效應在其他水相金屬陽極（Cu、Sn、Fe）中得到驗證，并提出了使用微孔（150 μm）海綿泡沫作為大電流陽極的隔膜，以提供更廣泛的Zn²⁺通道并減輕隔膜滲透效應。這項工作為協調ZBs的快速充電能力和陽極穩定性提供了獨特的視角。

圖文導讀

圖1：大電流密度下鋅晶體的取向沉積和隔膜滲透現象。

圖2：提出了隔膜滲透效應的概念，并通過對Zn沉積過程中的電流密度影響進行了模擬和實驗驗證。

圖3：隔膜滲透效應在不同電解液添加劑和基底材料下的影響。

圖4：隔膜滲透效應在其他水相金屬陽極（Cu、Sn、Fe）中的普遍性，并通過光學顯微鏡直觀展示了不同電流密度下的沉積行為。

圖5：使用微孔海綿泡沫作為隔膜來減輕大電流密度下鋅陽極的沉積問題。

總結展望

本研究揭示了大電流密度對鋅沉積的影響，并指出了隔膜通道中電流密度的增加導致的隔膜滲透效應是電池短路和壽命縮短的原因。

通過實驗和模擬，驗證了這一效應在不同條件下的普遍性，并提出了使用微孔海綿泡沫作為隔膜的解決方案，有效延長了對稱電池和Zn//MnO₂電池的壽命。

這些發現為設計和優化鋅基電池在快速充電條件下的性能提供了重要的指導和策略。

文獻信息

標題：Unraveling paradoxical effects of large current density on Zn deposition

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202404140

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