XRD成果速递|双电层压缩实现高倍率下长寿命锌负极

水系锌离子电池（AZIBs）是一种有前景的下一代储能解决方案，但其锌负极存在严重的枝晶生长问题，这是由于锌离子（Zn²⁺）的无序扩散和缓慢的去溶剂化动力学导致的，使得其在高倍率下循环寿命极短。

近日，上海交通大学吴蕴雯团队介绍了一种新型添加剂DL-O-甲基丝氨酸（MeSer），将其加入到ZnSO₄电解液中，显著提升了水系锌离子电池（AZIBs）的电化学性能。

MeSer在溶液中解离生成MeSer^⁻和质子。MeSer^⁻能够吸附在电极表面，通过改变界面电位来压缩双电层（EDL）。根据DLVO理论，Zn²⁺在水溶液中受到EDL内离子的静电排斥和范德华力的吸引。压缩EDL可以减弱静电排斥力，从而促进Zn²⁺的三维扩散，减少枝晶的形成，实现更均匀的锌沉积。

图1. a) MeSer^- 对 EDL 和 Zn²⁺ 去溶剂化过程的调节示意图。 

b) MeSer^-、SO₄ ^2- 和 H₂O 的分子表面静电势。

 c) MeSer^-、SO₄ ^2- 和 H₂O 的分子轨道能量。

MeSer^⁻的加入显著降低了锌的成核过电位，并加快了从二维扩散到三维扩散的转变。如图2所示，在ZnSO₄+ MeSer电解液中，Zn²⁺在-100 mV的过电位下能够在200秒内从二维扩散转变为三维扩散，而在ZnSO₄电解液中，这种转变需要超过1200秒。这种快速的三维扩散有助于实现更均匀的锌沉积，减少枝晶的形成。

图 2. a) 在1 mA cm⁻².下 Cu||Zn 电池中的锌成核超电势。

b) Zn||Zn 电池在-100 mV 过电势下的 CA 曲线。 

c) 不同电解质的电导率。 

d）在不同电解液中电沉积1小时后铜基板上锌沉积物的 SEM 图像。

通过X射线衍射（XRD）技术（D-POWER，安徽国科仪器，GKINST Co., LTD.），研究人员对铜表面沉积物的织构变化进行了系统表征（图3）。研究结果发现，与对照组样品相比随着沉积电流和沉积量的增加，100峰和110峰强会显著提高，表明沉积物的取向有序程度明显提高，这有利于均匀沉积。XRD结果揭示了添加剂对织构的作用机制，为添加剂的选择与设计提供了明确的指导，并解明了电极循环稳定性的重要来源。

图 3. 不同电解液条件下锌沉积在Cu基底上的 XRD 图谱。

ZnSO₄+MeSer电解液的电导率高于ZnSO₄电解液，则表明Zn²⁺在其中的传输速度更快。这有助于提高电池的整体性能，尤其是在高倍率条件下，图4的多方面性能测试也证实了这点。

图 4. ZalV2Os 全电池在不同电解液中的长期循环性能。

本次研究表明，MeSer^⁻不会改变Zn²⁺的溶剂化结构，但会压缩双电层，降低其内部的排斥力，从而增强Zn²⁺的三维扩散，实现锌的均匀沉积。此外，通过对去溶剂化活化能的分析和密度泛函理论（DFT）计算，发现EDL中的MeSer^⁻由于其对Zn²⁺的强亲和力，降低了Zn²⁺的去溶剂化能垒，从而提高了AZIBs的倍率性能。

实验中利用 X射线衍射（XRD）技术对电沉积的织构变化过程进行了深入研究，解释说明电极循环稳定性的重要来源，显著提升电池循环稳定性。

[1] X. Ren,S. Zhao,F. Song, et al. “Anion Induced Electric Double Layer Compression and Desolvation Optimization Enable Long Life Zinc Anodes under High-Rate.”Adv. Sci.(2025): e13291.https://doi.org/10.1002/advs.202513291

D-POWER X射线衍射仪，搭载前沿的的光路系统、高精度测角仪和单光子计数探测器，结合多样化的样品环境，无论是科研探索还是工艺监控，均能一站式满足广泛的测试需求，提供可靠的数据研究。

•3kW陶瓷X射线光管确保高强度、高稳定性的X射线输出

•高精度测角仪自动校正极微小运动位置偏差

•一维阵列探测器实现高灵敏度和高分辨率的完整衍射谱图采集

•全方位样品兼容与测试环境满足不同测试需求