水系锌离子电池（AZIBs）因其固有的安全性和环境友好性已然成为商用锂离子电池的潜在替代品。水性电解质自身具有高安全性，而锌金属负极本身具有合适的氧化还原电位（–0.76 V）、可观的理论比容量（820 mAh g–1; 5855 mAh cm–3），以及较低的成本。受益于这些优点，AZIBs具有多种潜在的应用场景，包括静态储能、智能家居、柔性电子器件和可穿戴设备等。但是，枝晶生长和副反应极大地阻碍了锌负极的可逆循环，这限制了AZIBs的商业化进程。利用取向沉积可以使锌沉积层以高度有序和致密的方式堆叠，从而实现无枝晶的锌负极。此外，锌取向沉积可以通过减少电极的暴露表面积来有效地抑制副反应。尽管锌取向沉积的研究已经取得了很大进展，但目前缺乏明确的取向调控准则，其潜在的机制依然难以捉摸。
因此，上海理工大学能源材料科学研究院（IEMS）吴超教授团队对相关研究工作进行了整理总结，对锌取向沉积的机理进行全面的分析。本论文综述了近年来发展起来的控制锌取向沉积的新兴策略，阐明了对相应机制的理解。文章首先深入分析了枝晶生长和副反应的起源，介绍了与锌取向沉积相关的基本物理概念。随后，论文详细讨论了取向沉积的各种策略，并结合具体的研究个例将潜在机制分为五类：异质外延沉积、同质外延沉积、界面孵化、晶面锚定和电流密度调控。最后文章分析对比了不同取向沉积机制的优缺点，并展望了这一研究领域的未来研究方向。本综述旨在对未来锌取向沉积的研究提供有价值的见解和研究思路。
其研究成果题为“Crystallographic Manipulation Strategies toward Reversible Zn Anode with Orientational Deposition”，已于4.24日发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials（IF=24.4）上。本文第一作者为IEMS杨先中博士，通讯作者为吴超教授，第一通讯单位为上海理工大学。
图1. 锌负极面临的挑战及取向沉积调控示意图。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202401293
锌负极的不可逆性极大地阻碍了AZIBs的发展，合理设计锌负极集流体（ZACC）是一个可行的解决方案。ZACC的结构和特性直接影响了锌的电沉积过程。相较于其他锌负极保护策略，ZACC的设计更有利于实现更高的锌利用率和更低的负极正极容量比（N/P比），从而达到更高的能量密度。然而，迄今为止，ZACC 的开发途径仍然模糊不清，缺乏一套具体的参数标准。因此，有必要制定全面的标准来细致评估ZACC的设计。鉴于这种情况，作者团队在本综述中提出了六项合理的标准，包括导电性、亲锌性、取向沉积诱导性、化学稳定性、机械耐久性和可扩展性，以具体描述ZACC的合理设计。论文中针对每项标准提出了详细的见解和优化策略。此外，还从集流体的角度，结合六项标准，对锌负极“有负极与无负极”、“热力学与动力学”、“二维和三维”几个关注点进行了讨论，并尝试对“亲锌位点的化学稳定性”等关键问题进行了分析。最后，该论文展望了ZACC的未来发展趋势，以及AZIBs的潜在应用场景。本综述旨在为构建高性能ZACC提供具体而全面的指导。
该成果以《Critical Criteria Depicting the Rational Design of Zn Anode Current Collector》为题在国际知名期刊Advanced Functional Materials（IF=18.5）上发表。2020级本科生翁高（已推免浙大读研）和2023级硕士生董子兴为共同第一作者，通讯作者为上海理工大学IEMS杨先中博士，第一通讯单位为上海理工大学。
图2. 合理设计ZACCs的六项标准。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400839
目前已发展了多种策略来提升锌负极的可逆性，主要包括人工界面层构建、电解液优化和电极结构设计等。但是单一的调控策略存在局限性，迫切需要一种综合性策略来有效地利用累积优势来开发先进的锌负极。另一方面，调控锌取向沉积也是抑制枝晶的有效途径。一般认为沿着Zn(002)晶面的取向沉积具有平整致密的排列，它可以有效抑制析氢反应。不过最近也有一些工作证实沿着Zn(100)或Zn(101)晶面的取向沉积也能有效抑制枝晶生长。事实上不管是沿着哪个晶面沉积，都需要考虑沉积层和衬底晶格的匹配问题，如果沉积层和衬底晶格失配度较高，那么在长期的循环中就有可能导致晶格畸变，进而引发枝晶的形成。因此，如果能在多晶锌衬底上实现锌的同质外延沉积则可以从根本上解决以上问题。
杨先中博士等采用化学气相沉积（CVD）在锌箔表面生长超薄的亲锌ZnF2界面层（ZnF2@Zn），该界面层可以有效促进电沉积初期锌的均匀成核。更重要的是，CVD的热处理过程可以使得锌衬底的结晶性大幅提升，从而在锌电极表面构建出周期性的晶格势场，引导锌严格沿着衬底的晶面进行外延沉积。同时，为了缓解ZnF2界面层脱落后电场不均匀分布带来的Zn2+聚集，在硫酸锌（ZS）中引入了1,3二甲基咪唑碘（MMImI）离子液体（ZS-IL）。吸附在锌电极表面的MMImI+可以排斥Zn2+，从而保证稳定的锌同质外延沉积。基于ZnF2@Zn电极和的对称电池和全电池都表现出极高的稳定性和可逆性。
该成果以“Facet-governed Zn homoepitaxy via lattice potential regulation”为题在国际知名期刊Energy & Environmental Science（IF=32.4）上发表。上海理工大学杨先中博士、南昌大学吕燕教授、北京大学刘哲彤博士为本文的共同第一作者，苏州大学孙靖宇教授、阿德莱德大学郭再萍院士以及北京大学高鹏教授为本文的共同通讯作者，上海理工大学为第二通讯单位。
图3. 锌同质外延沉积示意图。
