【科技】武汉理工大学麦立强、伦敦大学学院何冠杰等：减轻离子通量涡流可实现可逆锌电沉积|武汉理工大学_新浪财经

金属阳极在高能量密度电池方面具有相当大的前景，但从根本上受到金属沉积不均匀和枝晶形成引起的电化学不可逆性的限制，这会影响电池的使用寿命和安全性。由于扫描电子和原子力显微镜等传统技术的局限性，这些技术具有侵入性且无法探测沉积物的内部结构，导致不稳定性的电极表面附近的混沌离子流(或离子通量涡流)仍然难以捉摸。

据此，武汉理工大学麦立强教授、伦敦大学学院何冠杰、XuanGao与牛津大学PaulR.Shearing团队采用原位X射线计算机断层扫描（CT）技术对LAPONITE涂层锌阳极上的锌沉积进行无损可视化，从而揭示其内部结构演变和沉积取向。结合计算流体动力学模拟，表明具有分离正负电荷中心的LAPONITE涂层可抑制离子涡旋的形成，引导锌沿（100）晶面均匀、致密且垂直取向生长，从而显著减轻枝晶生长。这使得3.17 Ah的锌-二氧化锰软包电池在100次循环中表现出稳定性能，为可扩展的高性能金属负极电池提供了一条可行的途径。

【研究内容】

本文通过LAPONITE涂层调控离子传输、抑制离子通量涡旋，从而实现锌的可逆电沉积，具体过程如下： LAPONITE具有分离的正负电荷中心，其表面因电子富集呈现负电位，可吸引Zn²⁺并排斥SO₄²⁻，而边缘区域产生正电位，促进SO₄²⁻吸附并排斥Zn²⁺。这种独特结构使Zn²⁺能通过堆叠的LAPONITE薄片形成的通道，同时将SO₄²⁻锚定在通道外部，有效分离Zn²⁺与SO₄²⁻。

在ZnSO₄水系电解液中，Zn²⁺与SO₄²⁻易形成电中性但不对称的接触离子对（CIPs），这些CIPs在电场中的行为与自由Zn²⁺不同，会导致离子通量涡旋，破坏锌沉积的均匀性。而LAPONITE涂层能减少扩散路径中的Zn²⁺·SO₄²⁻ CIPs，缓解离子通量涡旋，促进更均匀的Zn²⁺通量和沉积。计算流体动力学（CFD）模拟证实，LAPONITE涂层因其对SO₄²⁻的吸附能力，在 homogenizing Zn²⁺通量方面效果优于裸锌和缺乏离子筛分能力的普通涂层。其表面不同位置的Zn²⁺通量与平均通量的比值更接近1，残差平方和（RSS）更小，表明离子运动更稳定，减少了涡旋现象。

此外，LAPONITE涂层产生的极性电场引导离子运动，且其表面的电子局域化促进Zn²⁺的选择性吸附，加快锌沉积动力学。电化学阻抗谱（EIS）测量显示，LAPO@Zn的界面电荷转移活化能更低， galvanostatic测试表明其成核过电位更小，交换电流密度更高，均体现出更优的动力学性能和更少的表面离子通量涡旋。这种对离子传输的调控和涡旋的抑制，最终引导锌沿（100）晶面均匀、致密且垂直取向生长，显著减轻枝晶生长，提升电池的循环稳定性和安全性。

图1| LAPONITE 的阳离子/阴离子分离效果

a LAPONITE 薄片的 AFM 图像和相应的电势曲线。b 离子穿透基板上 LAPONITE 夹层的示意图。灰色、淡紫色和浅海军色的球代表 Zn2+、SO42- 和 Zn2+-SO42- 接触离子对 (CIP)。c 循环后剥离的 LAPONITE 夹层和下面的 Zn 箔的光学图像，以及相关的 3D TOF-SIMS 图像。d 在裸锌和 LAPO@Zn 电极上的 Zn2+ 转移数。

图2| 不同电极上的扩散行为

a、c 在不添加(a)和添加 LAPONITE (c)的沉积基底上绘制的示意流线图。b 在施加电场条件下对 Zn2+、SO42- 和 Zn2+-SO42- CIP 的力分析。d、e 在裸 Zn (d)和 LAPO@Zn (e)电极表面模拟的 Zn2+ 流密度。f不同温度 (20 ℃~70 ℃) 下 Rct-1 值的阿伦尼乌斯图。通过计算拟合线的斜率来确定界面电荷转移过程的活化能。g、h 裸锌 (g) 和 LAPO@Zn (h) 电极在 -150 mV 过电位下的计时图 (CA)。DL、2D 和 3D 是双层、二维和三维电流。

图3| 不同电极上的锌沉积取向

a、b 在 1 mA cm-2 下电镀 1 小时后，用裸锌 (a)和 LAPO@Zn (b)循环的锌箔的 SEM 图像。c 在 1 mA cm-2 下电镀 1 h 后裸锌和 LAPO@Zn 的掠入射X射线衍射 (GIXRD) 图案。FWHM 表示峰最大值一半处的全宽。d、e 在原位 X 射线 CT 测试中循环后裸锌 (d)和 LAPO@Zn (e)上颗粒的面内和面外取向的统计分析。f、g 在 10 mA cm-2 下裸锌 (f) 和 LAPO@Zn (g)的原位光学显微镜和电压曲线。插图显示了相应的光学图像，比例尺为200 μm。

图4| 不同电极上锌沉积物的 X 射线 CT 成像

a-d 原位 X 射线 CT 检测后，显示裸锌 (a)和 LAPO@Zn (b)的平均曲率分布，以及裸锌 (c)和 LAPO@Zn (d)的平均半径。e 在对应于 a-d 区域的裸锌和 LAPO@Zn 中，其分割体积的变化情况。

图5| 不同电极电池的电化学性能

a裸 Zn 和 LAPO@Zn 电极的 Zn||Zn 对称电池的恒电流循环曲线，电流密度为 1 mA cm-2、固定容量为 1 mAh cm-2。b Zn||MnO2 纽扣电池在 1 A g-1 下的恒电流循环性能。c LAPO@Zn||MnO2 软包电池在 0.1 A g-1 下的恒电流循环性能。

【结论】

本研究强调了抑制锌离子通量涡旋这一关键作用对于实现水系锌离子电池中稳定且高效的锌负极至关重要。通过设计并应用具有独特电荷中心的 LAPONITE 涂层，锌的沉积得到了有效引导，从而实现了均匀、致密且垂直排列的生长。原位 X 射线 CT 显示，这一策略不仅引导锌沿着 (100) 平面沉积，而且显著提高了沉积物的紧密度，从而形成了更平滑且少有枝晶结构的产物。因此，LAPO@Zn||MnO2 软包电池表现出卓越的循环性能，在第 44 次循环时达到峰值容量 3.17 Ah，并在恶劣条件下保持了 100 次以上的稳定运行，而裸 Zn||MnO2 电池则出现了迅速降解的现象。这些发现为商业化的可充电锌离子电池提供了一种潜在的可行途径，将先进的材料设计与实用、可扩展的储能解决方案相结合。

引用本文：Dai, Y., Du, W., Dong, H. et al. Mitigating ion flux vortex enables reversible zinc electrodeposition. Nat Commun16, 7312 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62470-x

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62470-x