单轴取向锌金属负极实现自发无位错同质外延生长：颠覆传统晶格调控策略的高可逆性突破

本研究针对锌金属负极电沉积过程中枝晶生长和副反应等关键问题，通过制备单轴[1120]取向的Zn(1120)金属负极，揭示了高表面能晶面通过同质外延生长机制实现均匀沉积的新机制。研究人员采用直流电沉积技术结合聚丙烯酰胺(PAM)调控，发现Zn(1120)电极在Zn||Cu不对称电池中实现4000次循环的高可逆性(40.0 mA/cm2)，在Zn||NH4V4O10全电池中展现2600次循环的94.7%容量保持率。该研究颠覆了传统金属负极需暴露低表面能晶面的认知，为高可逆性金属负极设计提供了新范式。

　　

在可充电电池领域，金属负极的枝晶生长问题犹如悬在研究者头顶的"达摩克利斯之剑"。以锌金属负极为例，传统策略遵循Gibbs-Curie-Wulff晶体生长理论，认为只有暴露(0002)等低表面能晶面才能实现均匀沉积。然而这种思路存在根本性矛盾：低表面能晶面虽能抑制副反应，却导致缓慢的 plating/stripping 动力学和显著极化。更棘手的是，随机取向的锌晶粒会形成高能晶界(GB)，成为副反应的温床，最终引发电池失效。

为突破这一困境，中国科学技术大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果。研究人员独辟蹊径地选择表面能最高的[1120]晶面作为研究对象，通过聚丙烯酰胺(PAM)辅助的直流电沉积技术，成功制备出厚度120μm的单轴取向Zn(1120)金属负极。令人惊讶的是，这种"反其道而行"的策略不仅实现了超过4000次循环的超高可逆性，更揭示了金属负极设计的新范式：单一晶向诱导的自发无位错同质外延生长机制。

研究主要采用以下关键技术：1) 预cession电子衍射(PED)和取向分布函数(ODF)分析确定晶体取向；2) 高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)观察原子级外延界面；3) 第一性原理计算晶界能和表面能；4) 扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征晶界稳定性；5) 原位光学显微镜追踪沉积形貌演化。

制备与表征锌金属负极
通过XRD和PED分析证实，所制备的Zn(1120)电极呈现单一(110)衍射峰，平均晶粒尺寸168±52 nm，残余应力仅10.2 MPa。取向成像图(OIMs)显示统一颜色分布，{1120}极图确认其单轴取向特征。高分辨HAADF-STEM显示明确的ABABAB堆垛序列，通过Weiss晶带定律确定为[1120]晶向。

电镀过程中的形貌演变
与传统Zn(0002)电极相比，Zn(1120)在1-20 mA/cm²电流密度下均呈现致密层状沉积。共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)显示其表面粗糙度仅0.21-0.35μm，远低于bare Zn的1.91-2.55μm。电化学阻抗谱(EIS)证实Zn(1120)具有更低的电荷转移电阻(R_ct)，循环伏安(CV)曲线显示其onset电位(-0.0386/-0.0101V)优于bare Zn(-0.0244/-0.0131V)。

生长机制研究
原子级HAADF-STEM揭示沉积锌与基底间存在完美晶格匹配，零晶格失配。纳米束电子衍射(NBED)显示沿生长方向(GD)的衍射斑点完全一致，证实同质外延生长。快速傅里叶变换(FFT)图谱显示沉积锌与基底具有完全相同的取向。这种自发无位错生长机制源于单一晶向诱导的均匀生长速率。

晶界稳定性分析
第一性原理计算显示Zn(1120)-Zn(1120)晶界能(0.84 J/m²)低于异质晶界。PED图谱统计表明Zn(1120)中低角度晶界比例(36.3%)高于bare Zn(33.6%)，且多为重合位置点阵(CSL)晶界。这种稳定晶界网络使HER起始电位负移，腐蚀电流密度降至1.56 mA/cm²(bare Zn为3.33 mA/cm²)。

电化学性能
Zn(1120)||Cu电池在1.0 mA/cm²下实现99.4%平均库伦效率(CE)，循环1500次；在40.0 mA/cm²和4.0 mAh/cm²条件下稳定运行4000次。全电池测试中，Zn(1120)||NH₄V₄O₁₀在2.0 A/g下循环2600次后容量保持率94.7%，显著优于bare Zn的快速衰减。

这项研究颠覆了金属负极必须暴露低表面能晶面的传统认知，证明单一晶向诱导的同质外延生长可实现超高可逆性。通过原子级表征与理论计算的完美结合，阐明了晶界稳定性与沉积形貌的构效关系。该工作不仅为锌金属电池商业化扫清障碍，更为锂、铝等金属负极设计提供了普适性指导原则，标志着金属负极研究进入"晶向工程"新阶段。