哈工大杨立军教授团队提出锌电池表面微纳结构飞秒激光调控新方法

哈工大全媒体（阚思邈 刘亚楠/文 刘亚楠/图）近日，机电工程学院航空宇航制造工程系杨立军教授团队提出一种高性能锌负极表面周期性微纳结构表面相变/亚表面缺陷的飞秒激光调控新方法。相关研究成果以《双功能层工程解锁无枝晶高性能锌金属负极》（Dual-Functional Layer Engineering Unlocking Dendrite-Free and High-Performance Zinc Metal Anodes）为题发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。该工作是一项涉及机械-材料-化学科学的交叉学科研究，为高性能锌基储能器件制备提供了新的手段。

由于锌金属负极具有无毒性、较低的电化学电位以及较高的容量，水系锌离子电池已成为下一代大规模储能系统的理想材料。然而商业锌负极电极/电解质界面不稳定易诱发腐蚀和副反应，从而降低储能器件的库仑效率和容量。此外，在锌负极表面不均匀的界面电场和离子浓度梯度的驱动下，枝晶的不可控生长增加了电极/电解液的接触面积，将进一步加剧腐蚀/副反应，导致电极变形甚至产生裂纹。因此，获得界面稳定、无枝晶、寿命长的锌负极对水系锌离子电池的商业化具有重要意义。

针对上述问题，团队提出了锌负极表面周期性微纳结构表面相变/亚表面缺陷的飞秒激光调控方法，实现了高性能锌基储能器件的新设想。团队利用飞秒激光加工技术在锌负极表面制备了周期性微纳结构，以实现高可逆锌负极。通过飞秒激光加工在锌负极表面制备了一种具有表面氧化层和亚表面位错层的双功能周期性微纳结构。实验和模拟结果表明，微纳结构表面氧化锌层可以优化锌离子的成核行为，实现锌离子的均匀沉积，抑制腐蚀和副反应。亚表层位错层能够增强电极/电解质界面的稳定性，并提供额外的应变支撑和电子传输途径。在高容量沉积过程中，亚表层位错层可以降低应力集中并促进电子转移，从而有效抑制枝晶生长与电极结构损伤。飞秒激光诱导锌负极表面双功能层策略有效地结合了表面保护层和亚表面位错层，从而提高了锌负极的电化学性能。因此，双功能层锌负极具有良好的界面稳定性，实现了超长循环性能和高库仑效率。此外，飞秒激光诱导周期性微纳结构在大面积软包电池和柔性水系锌离子电池体系中具有优异的电化学性能及柔性，验证了其在实际应用中的可行性，同时为提高其他金属电极的界面稳定性提供了参考。

飞秒激光诱导锌负极表面周期性微纳结构形成机理及结构表征

周期性微纳结构锌负极沉积形貌及机理研究 

周期性微纳结构锌负极电化学性能及实际应用

哈工大为论文第一完成单位。材料科学与工程学院博士后刘亚楠为论文第一作者，机电工程学院杨立军教授与丁烨副教授为论文共同通讯作者。

该研究工作得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金与中国博士后科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202424526