今日Science控制枝晶生長：電池負極中金屬的可逆外延電沉積

木文韜 4年前 (2019-11-01) 6448瀏覽

【引言】

電池的金屬負極在循環過程中可能會生長出樹枝狀晶體，這可能導致電池短路或隨后降低充電容量，這已成為使用金屬陽極的高能可充電電池的基本障礙。在外延電沉積過程中，薄膜電沉積與基材形成相干或半相干的晶格界面。該工藝可用于沉積金屬，例如銅（Cu）和鉑（Pt）在不同化學物質的底物上，它增加了電池電極的質量并形成了低晶格失配界面。在電池充電過程中，選擇一個具有晶體對稱性和晶格參數的電化學非活性中間相，將會理想地促進金屬負極在無應變狀態下的異質外延形核和生長。一旦有核物質覆蓋基底，沉積的金屬層將使同質外延沉積形成均勻的金屬涂層。在放電時，金屬被剝離，而基板保持完整，因此，可以進行后續的充放電循環。

【成果簡介】

今日，在美國康奈爾大學Lynden A. Archer教授團隊（通訊作者）帶領下，與紐約州立大學石溪分校、布魯克海文國家實驗室和美國國家標準與技術研究院合作，報道了一種調節金屬負極成核、生長和可逆性的外延機制，即開發了一種在石墨烯涂層的不銹鋼電極上電沉積Zn的方法，使Zn形成與電極平行的擇優取向的極板。定義了金屬可逆外延電沉積的晶體學、表面織構化和電化學標準，并通過使用Zn（一種安全、低成本、高能量的電池負極材料）證明了其有效性。石墨烯與Zn的晶格失配率低，可以有效地促進Zn沉積，并具有鎖定的晶體取向關系。在循環過程中，Zn將以板狀形式而不是枝晶形式再沉積，因此電池在數千次循環中表現出極好的可逆性。金屬的可逆電化學外延為高可逆性的高能量密度電池提供了一條通用的途徑。相關成果以題為“Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes”發表在了Science上。