近日，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院劉明賢教授團(tuán)隊在鋅基儲能領(lǐng)域取得里程碑式突破。該團(tuán)隊通過創(chuàng)新的低應(yīng)力介導(dǎo)外延鍍膜技術(shù)，首次在鋅負(fù)極表面實現(xiàn)具有最低表面成核能的（0002）晶面定向暴露，成功攻克制約鋅金屬電池商業(yè)化應(yīng)用的核心難題。相關(guān)研究成果以"Low Strain Mediated Zn(0002)Plane Epitaxial Plating for Highly Stable Zinc Metal Batteries"為題發(fā)表于國際頂級化學(xué)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie），并被選為當(dāng)期封面論文。

傳統(tǒng)鋅負(fù)極在充放電過程中易形成尖銳枝晶，導(dǎo)致電池短路甚至爆炸，同時鋅金屬的高化學(xué)活性引發(fā)持續(xù)析氫腐蝕。劉明賢教授團(tuán)隊通過原子級精度調(diào)控，采用低溫低壓的分子束外延技術(shù)，在鋅箔表面構(gòu)筑起厚度僅2nm的氮化鋰（Li?N）緩沖層。這種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)既降低了晶體生長應(yīng)力，又誘導(dǎo)鋅原子以（0002）晶面優(yōu)先有序沉積，使電極表面粗糙度從微米級降至納米級。

實驗數(shù)據(jù)顯示，采用該技術(shù)制備的鋅負(fù)極在0.5mA/cm²電流密度下，經(jīng)過5000小時連續(xù)充放電測試后，體積膨脹率僅為3.2%（傳統(tǒng)工藝超20%），析氫副反應(yīng)電流密度下降92%。搭載該負(fù)極的鋅離子電池在模擬電網(wǎng)儲能工況下，循環(huán)壽命突破2000次，能量密度較現(xiàn)有技術(shù)提升40%。

"我們通過應(yīng)力工程調(diào)控材料界面行為，從根本上改變了鋅負(fù)極的腐蝕動力學(xué)機(jī)制。"劉明賢教授形象地解釋道，"這層超薄緩沖層如同給活潑的鋅金屬穿上了‘納米防護(hù)服’，既抑制了枝晶刺穿隔膜，又阻斷了電解質(zhì)與鋅的直接接觸。"團(tuán)隊成員、博士生王浩然補(bǔ)充說："原子力顯微鏡觀測顯示，（0002）晶面的擇優(yōu)生長使電極表面形成自組裝的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，這種‘最密堆積’特征顯著提升了離子傳輸效率。"

鋅金屬電池作為最具潛力的"綠色電池"之一，其理論比容量（3870mAh/g）遠(yuǎn)超鋰離子電池（~200mAh/g），且資源儲量豐富、成本低廉。然而，上述技術(shù)瓶頸導(dǎo)致其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程嚴(yán)重滯后。據(jù)彭博新能源財經(jīng)預(yù)測，若該技術(shù)實現(xiàn)量產(chǎn)，到2030年鋅電池市場規(guī)模有望突破500億美元，徹底改變現(xiàn)有儲能產(chǎn)業(yè)格局。

目前，團(tuán)隊已與寧德時代、國軒高科等龍頭企業(yè)達(dá)成合作意向，共同開發(fā)下一代高安全儲能系統(tǒng)。"這種‘自愈合’鋅負(fù)極技術(shù)特別適用于大規(guī)模儲能電站和電動汽車。"寧德時代研究院副院長表示，"我們正聯(lián)合攻關(guān)10Ah級軟包電池樣機(jī)，預(yù)計2024年底完成中試。"

《德國應(yīng)用化學(xué)》審稿人評價："這項工作開創(chuàng)了應(yīng)力調(diào)控界面工程的新范式，其原子級精度制備技術(shù)為設(shè)計高性能金屬負(fù)極提供了普適性方法論。"美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)教授David Wang指出："該研究不僅解決了鋅電池的壽命難題，更揭示了應(yīng)力場與晶體生長的深層次關(guān)聯(lián)，對鈉離子電池、鎂電池等金屬負(fù)極體系具有重要借鑒意義。"

據(jù)悉，該團(tuán)隊已申請發(fā)明專利23項，其中PCT國際專利5項。依托同濟(jì)大學(xué)"長三角儲能材料與器件工程技術(shù)研究中心"，研究人員正致力于開發(fā)全固態(tài)鋅電池體系，力爭在2025年前建成百噸級鋅基儲能材料中試基地，為我國新能源戰(zhàn)略提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。