近日，我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术国家重点实验室李会巧教授团队在水系电池领域取得了重要进展，其最新研究成果“一种具有一年以上超长循环寿命的抗腐蚀锌金属负极(An anticorrosive zinc metal anode with ultra-long cycle life over one year, doi:10.1039/D1EE03882F)”清晰地阐明了析氢反应与锌沉积形貌之间的作用关系：析氢反应的发生会诱发碱式硫酸锌生成继而钝化沉积锌的表面，使锌片与锌片之间无法外延生长，导致沉积锌呈现出疏松的形貌。通过有效抑制析氢腐蚀，可实现锌的超致密沉积，助推水系电池锌负极的性能大幅提升，从而成功将锌负极的循环寿命从目前报道的小于1000h提升到9000h以上，稳定循环超过一年。
与金属锂在有机系电池中的地位相媲美，金属锌由于其高理论容量和低的氧化还原电位的优势在水系电池中具有不可撼动的至高地位。不幸的是，充放电过程中锌负极差的稳定性及过短的寿命（<70h）制约了对锌的有效利用。
图1 金属铟改性前/后锌沉积形貌演变示意图
针对这一问题，李会巧教授团队认为：相较于被焦点关注的枝晶问题，锌负极还受到电化学过程中不可避免的析氢反应（HER）的威胁。HER在降低锌负极性能方面起着相当隐蔽的作用，但其具体影响途径尚未得到清楚地阐明并引发足够的重视。基于此，研究人员通过在界面引入具有高析氢过电位的岛状金属铟抑制了析氢腐蚀从而实现了具有超长循环寿命的锌负极的开发。一方面，对HER的抑制稳定了界面pH值，减少了惰性的碱式硫酸锌的生成与沉积，使沉积的锌表面可以保持干净。因此，后续沉积的锌可以在锌表面进行外延生长，从而使沉积的锌具有超致密的结构；另一方面，这种超致密的类岩石状的结构使负极的体积变化减小，极大的延长了负极的工作寿命，提高了负极的循环稳定性。因此，组装的对称电池可以实现一年以上的超长循环寿命。本工作揭示了锌负极表面析氢的抑制与致密化锌沉积之间的内在联系并且验证了抑制析氢对于改善锌负极性能的有效性，对后续锌负极的发展具有重要的指导意义。
图2 改性后沉积锌层致密的表面形貌及对称电池性能
该研究工作于3月17日在能源材料领域国际著名期刊Energy & Environmental Science (IF=38)上在线发表，华中科技大学为该论文第一完成单位，材料学院博士肖娉为论文第一作者，李会巧教授为通讯作者。材料学院赵英鹤老师、翟天佑老师等共同参与该项研究工作。本研究受到国家自然科学基金, 湖北省创新群体项目, 国家重点研发计划重点专项，中央高校基本科研专项的资助。
【文章链接】https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D1EE03882F
