今日Science控制枝晶生长：电池负极中金属的可逆外延电沉积

木文韬 5年前 (2019-11-01) 7533浏览

【引言】

电池的金属负极在循环过程中可能会生长出树枝状晶体，这可能导致电池短路或随后降低充电容量，这已成为使用金属阳极的高能可充电电池的基本障碍。在外延电沉积过程中，薄膜电沉积与基材形成相干或半相干的晶格界面。该工艺可用于沉积金属，例如铜（Cu）和铂（Pt）在不同化学物质的底物上，它增加了电池电极的质量并形成了低晶格失配界面。在电池充电过程中，选择一个具有晶体对称性和晶格参数的电化学非活性中间相，将会理想地促进金属负极在无应变状态下的异质外延形核和生长。一旦有核物质覆盖基底，沉积的金属层将使同质外延沉积形成均匀的金属涂层。在放电时，金属被剥离，而基板保持完整，因此，可以进行后续的充放电循环。

【成果简介】

今日，在美国康奈尔大学Lynden A. Archer教授团队（通讯作者）带领下，与纽约州立大学石溪分校、布鲁克海文国家实验室和美国国家标准与技术研究院合作，报道了一种调节金属负极成核、生长和可逆性的外延机制，即开发了一种在石墨烯涂层的不锈钢电极上电沉积Zn的方法，使Zn形成与电极平行的择优取向的极板。定义了金属可逆外延电沉积的晶体学、表面织构化和电化学标准，并通过使用Zn（一种安全、低成本、高能量的电池负极材料）证明了其有效性。石墨烯与Zn的晶格失配率低，可以有效地促进Zn沉积，并具有锁定的晶体取向关系。在循环过程中，Zn将以板状形式而不是枝晶形式再沉积，因此电池在数千次循环中表现出极好的可逆性。金属的可逆电化学外延为高可逆性的高能量密度电池提供了一条通用的途径。相关成果以题为“Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes”发表在了Science上。