陈军院士AM：运用最紧密堆积晶体学构建高可逆性无枝晶金属负极

每年从可持续间歇性能源（如风能和太阳能）中产生的电力不断增加需要有成本效益和可靠的电化学能源储存。基于多价金属负极（如锌、铝和铁）的可充电池，利用大规模生产和可负担的成本的优势，已经成为有前景的候选人。然而，由无序金属结晶引起的普通基底上不可控的树枝状金属沉积通常会导致电池过早失效，当树枝状金属在电极上架起桥梁时甚至会引起安全问题。

南开大学陈军院士等报告了在精心设计的单晶Cu(111)（被称为s-Cu）基底上，通过最紧密堆积晶体学，构建了一系列具有高可逆性的无枝晶平面金属负极（Zn, Co, Al, Ni, Fe）。

图1 金属在Cu(111)上的外延电沉积

Cu的(111)面与具有面心立方(fcc)、六方紧密堆积(hcp)和体心立方(bcc)晶体结构的金属的最紧密堆积面具有低晶格失配和高静电势差，这促使金属的沉积具有与基底锁定的结晶学方向关系。因此，在电沉积过程中，金属的最紧密堆积面与s-Cu基片水平排列。此外，多种晶体学特征显示，金属负极的外延电沉积是沿着其最接近的堆积方向实现的，从而形成了无枝晶平面金属负极。

图2 Cu上的Zn的沉积行为

令人印象深刻的是，由此产生的金属负极表现出100%的首选结晶学取向率。此外，作者提出并证明了以Zn为模型系统的外延电沉积动力学的通用标准。在该标准的指导下，通过增加阳离子的浓度，在前所未有的1 A cm^-2的高电流密度下，可以实现无平面树枝状物的Zn负极，并显示出高可逆性。

通过最紧密堆积晶体学实现的最佳晶体取向和沉积模式，该锌负极能够在要求极高的正负电极容量比（N:P为2.3:1）的情况下实现全电池的稳定运行（800次循环，库伦效率大于99.9%）。这项工作中调节金属电沉积的通用方法有望促进新兴可持续能源储存/转换设备的发展。

图3 外延锌金属负极的电化学性能

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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