锌电沉积中速率依赖性织构生长的原位X射线衍射研究揭示长寿命锌离子电池设计新策略

本研究通过同步辐射高通量原位X射线衍射技术，揭示了锌电沉积过程中电流密度对(002)织构形成的调控机制，颠覆了传统低电流抑制枝晶的认知，提出高电流诱导的取向选择机制，为设计抗枝晶、长循环锌离子电池(ZIBs)提供了关键理论指导。

　　

锌离子电池(ZIBs)因其低成本、环境友好和高安全性，被视为大规模储能的有力竞争者。然而商业化进程长期受困于锌负极的枝晶生长问题——这与锂离子电池中的"锂枝晶难题"如出一辙。传统观点认为高电流密度会加剧枝晶形成，但这一认知在锌电沉积领域正面临挑战。近期研究发现，锌负极的(002)晶面具有优异的耐腐蚀性和抗枝晶能力，但如何可控制备这种理想织构仍是未解之谜。

美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究。通过自主开发的高通量原位X射线衍射(XRD)平台，首次捕捉到锌电沉积全过程晶体取向的动态演变，揭示出"高电流促进(002)织构"的反常现象。研究发现：当电流密度达60 mA/cm²时，锌沉积层呈现致密(002)织构；而10 mA/cm²低电流下则形成多孔枝晶。这种"速率依赖性织构生长"现象通过电子背散射衍射(EBSD)证实源于"进化取向选择机制"——高电流下平行基底的晶粒通过快速横向生长淘汰倾斜晶粒，最终形成单一取向。

研究采用三大关键技术：1）创新梯度电解池设计，单次实验实现0.1-100 mA/cm²电流密度梯度覆盖；2）同步辐射原位XRD实时监测八个位点(P1-P8)的晶体取向演变；3）相对织构系数(RTC)定量表征体系。通过铜(Cu)、钛(Ti)、不锈钢等多基底验证，结合1M/0.5M/2M ZnSO₄电解液浓度调控，证实电流密度是决定织构的主控因素。

【结果与发现】

梯度电流分布揭示织构规律：

原位XRD显示P1位点(-60 mA/cm²)的I₍₀₀₂₎/I₍₁₀₀₎强度比最高，SEM观察到致密六方片状(002)晶面平行排列；而P7位点(-2.6 mA/cm²)呈现无序枝晶形貌。RTC定量分析表明：(002)织构强度随电流升高呈指数增长。

进化取向选择机制解析：

EBSD三维重构显示：近基底处晶粒取向随机，表层则呈现强烈(002)择优取向。切换电流实验证实，即使初始低电流成核，只要生长阶段采用高电流仍可形成织构，颠覆了"成核决定织构"的传统认知。

电池性能验证：

60 mA/cm²循环的锌负极实现400次稳定循环，CE达99.7%；而10 mA/cm²组仅维持220次。采用"40次低电流+10次高电流"的交替协议，可延长循环寿命至500次以上。

【结论与意义】

该研究建立了锌电沉积"电流密度-织构-性能"的定量关系，提出三条实用化准则：1）初始高电流诱导织构；2）避免持续低电流沉积；3）周期性高电流"刷新"表面。Yifan Ma等开发的梯度原位XRD方法为金属电沉积研究树立新范式，不仅解决了ZIBs的枝晶难题，其揭示的取向选择机制对锂/钠金属电池同样具有启示意义。这项工作被评价为"金属负极研究从经验探索走向理性设计的重要里程碑"。