文/劉子萱，易金，戴曄；上海大學(xué)

隨著能源需求的快速增長和可再生能源的持續(xù)發(fā)展，儲能技術(shù)的研究與應(yīng)用逐漸成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。在眾多儲能技術(shù)中，水系鋅離子電池（AZIBs）以其高容量、低成本、高安全性和環(huán)境友好等特點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)。作為一種極具潛力的儲能系統(tǒng)，AZIBs基于鋅金屬作為陽極材料，兼具良好的導(dǎo)電性、高儲能密度及優(yōu)越的環(huán)境兼容性。然而，由于電化學(xué)循環(huán)過程中的一系列副反應(yīng)問題，AZIBs的實(shí)際應(yīng)用始終面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。典型問題包括：

● 枝晶生長：在局部高電場驅(qū)動下，鋅金屬在陽極表面的沉積常以無序形式發(fā)生，形成尖銳的枝晶結(jié)構(gòu)，不僅增加了短路風(fēng)險(xiǎn)，還會導(dǎo)致循環(huán)壽命縮短。

● 析氫反應(yīng)（HER）：電解液中的水分子在電化學(xué)反應(yīng)中被還原為氫氣，不僅消耗了電池的儲能容量，還加劇了電極的腐蝕。

● 腐蝕和鈍化：鋅陽極表面的不均勻腐蝕和鈍化層的形成阻礙了離子傳遞，進(jìn)一步降低了電池的性能。

為了解決這些問題，科學(xué)家們提出了一系列解決方案。其中，Kang等人[Advanced Energy Materials, 8, 1801090 (2018)]通過在鋅陽極表面覆蓋CaCo3涂層以提高循環(huán)穩(wěn)定性；Ren等人[Advanced Functional Materials, 34, 2312220 (2023)]利用ZnO涂層對鋅陽極進(jìn)行改性，實(shí)現(xiàn)均勻電場分布。各種電解質(zhì)添加劑也已被證明可有效抑制樹突[ACS Energy Letters, 5, 3012 (2020)]。然而，傳統(tǒng)方法往往面臨成本高、工藝復(fù)雜以及穩(wěn)定性不足等問題。與各種化學(xué)途徑相比，激光加工更具成本效益，并且適用于大規(guī)模生產(chǎn)。Yang等人[Nanomanufacturing and Metrology, 6, 16 (2023)]利用飛秒激光誘導(dǎo)的石墨烯涂層，降低了Zn的成核過電位和沉積電位；Na等人[ACS Energy Letters, 8, 3297 (2023)]使用了納秒激光光刻策略，得到了優(yōu)異的電化學(xué)性能；Yao等人[ACS Applied Material Interfaces, 15, 16584 (2023)]用飛秒激光在鋅陽極表面制造了微納米結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)不僅可以改善材料的物理化學(xué)性能，還能夠通過優(yōu)化電場分布和調(diào)控電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，從根本上提升電池性能。

圖1：針對樹突生長的當(dāng)前策略概述[Small Methods. 7, 2300101 (2023)]。

作為超快激光技術(shù)的代表，皮秒激光的脈寬在10-12秒量級，其極短的脈寬使激光與材料之間的能量傳遞時(shí)間極為有限，從而顯著減少了熱擴(kuò)散的影響。正是由于這種特性，皮秒激光能夠在材料表面精確構(gòu)造出高分辨率的微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)不會對材料的基體深處造成損傷。在鋅離子電池陽極的改性研究中，這種技術(shù)的優(yōu)勢尤為明顯。在鋅離子電池的研究中，皮秒激光技術(shù)通過在鋅陽極表面構(gòu)建周期性微納結(jié)構(gòu)，不僅顯著提升了材料的疏水性能，還有效抑制了鋅枝晶的生長和析氫反應(yīng)的發(fā)生，從而大幅提高電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。

近期，上海大學(xué)的研究人員[Advanced Functional Materials, 2417546 (2025)]進(jìn)一步發(fā)展了這項(xiàng)技術(shù)。他們通過皮秒激光技術(shù)在鋅陽極表面設(shè)計(jì)了一種由微米級方形陣列和納米級粗糙結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。具體而言，每個(gè)方形陣列單元的尺寸約為8~9μm，其內(nèi)部粗糙度進(jìn)一步提升了結(jié)構(gòu)的抗腐蝕特性。這種微納結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)平滑的陽極表面，在優(yōu)化電場分布和引導(dǎo)鋅離子沉積方面發(fā)揮了重要作用。

通過對鋅陽極表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)得到了以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）耐腐蝕性能顯著提高

普通鋅陽極和激光處理后的鋅陽極（PLL-Zn），分別被浸泡在ZnSO4溶液中7天。結(jié)果顯示：普通鋅陽極表面在浸泡1天后已出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，7天后幾乎完全被副產(chǎn)物覆蓋；而PLL-Zn表面則能夠保持清晰的微納結(jié)構(gòu)，僅有少量腐蝕痕跡。

能譜分析（EDS）結(jié)果也表明，PLL-Zn陽極表面腐蝕產(chǎn)物的含量遠(yuǎn)低于普通鋅陽極，進(jìn)一步驗(yàn)證了微納結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性能的顯著提升。這是由于經(jīng)過激光加工的陽極表面具有顯著提升的疏水性，水接觸角從普通鋅陽極的約94°提高到126°。這種超疏水特性減少了陽極與電解液的直接接觸，降低了電化學(xué)腐蝕和析氫副反應(yīng)的發(fā)生概率，延長了陽極的使用壽命。

（2）抑制枝晶生長，優(yōu)化沉積行為

通過皮秒激光構(gòu)造的微納結(jié)構(gòu)，為鋅離子的沉積提供了更多的成核位點(diǎn)，并且在鋅陽極表面實(shí)現(xiàn)了電場的均勻分布，這種均勻電場引導(dǎo)了鋅離子的有序沉積，避免了因局部高電場導(dǎo)致的枝晶生長。

實(shí)驗(yàn)表明，普通鋅陽極表面在工作5分鐘后出現(xiàn)不規(guī)則沉積物和凸起，這些突出位點(diǎn)意味著此處更高的局部電場，導(dǎo)致Zn2+的聚集沉積，使得20分鐘后觀察到明顯的樹突。相反，PLL-Zn陽極在沉積過程中保持平坦的表面，反映了Zn2+的均勻擴(kuò)散和致密成核。

圖2：裸Zn和PLL-Zn的電化學(xué)行為示意圖[Adv. Funct. Mater. 2417546 (2025)]。

（3）優(yōu)先晶面沉積

激光構(gòu)造的微納結(jié)構(gòu)，能夠引導(dǎo)鋅離子優(yōu)先沿（002）晶面沉積，而該晶面具有最低的表面能和較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，從而提高了鋅陽極的電化學(xué)穩(wěn)定性。X射線衍射（XRD）分析驗(yàn)證了這一點(diǎn)：與普通鋅陽極相比，激光改性后的鋅陽極在（002）晶面的峰強(qiáng)顯著增強(qiáng)。這種沉積行為的優(yōu)化，不僅提高了陽極的電化學(xué)穩(wěn)定性，還延長了電池的循環(huán)壽命。

（4）電化學(xué)性能大幅優(yōu)化

● 鋅對稱電池的長壽命循環(huán)

經(jīng)激光處理的鋅陽極，在對稱電池測試中展現(xiàn)出長達(dá)1400小時(shí)的穩(wěn)定循環(huán)壽命，而未處理的鋅陽極在40小時(shí)內(nèi)因枝晶生長而引發(fā)短路。這表明，皮秒激光構(gòu)造的微納結(jié)構(gòu)顯著延長了電池的使用壽命。

● 鋅-銅半電池的高庫倫效率

在鋅-銅半電池的測試中，改性鋅陽極實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99.83%的平均庫倫效率，遠(yuǎn)高于普通鋅陽極。皮秒激光掃描后表面的優(yōu)異疏水性能是實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)的關(guān)鍵，其顯著減少了電解液與陽極表面的直接接觸，從而降低析氫反應(yīng)發(fā)生的概率，同時(shí)大幅提升了材料的抗腐蝕性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。

● 鋅-錳氧化物全電池的穩(wěn)定性能

在全電池測試中，激光處理后的鋅陽極進(jìn)一步驗(yàn)證了其綜合性能的優(yōu)勢。在1 A/g的電流密度下，基于PLL-Zn的Zn||MnO2全電池在600次循環(huán)后，表現(xiàn)出高達(dá)68.7%的容量保持率，而普通鋅陽極僅為50.4%。這一結(jié)果表明，激光構(gòu)造的微納結(jié)構(gòu)不僅優(yōu)化了鋅離子的沉積行為，還顯著改善了電池的倍率性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。即便在高電流密度下，激光改性鋅陽極依然能夠保持較低的電壓極化和穩(wěn)定的放電曲線，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。

綜上所述，皮秒激光技術(shù)通過構(gòu)建具有優(yōu)異性能的微納結(jié)構(gòu)，從多個(gè)方面顯著優(yōu)化了鋅陽極的電化學(xué)性能。這一技術(shù)為解決鋅陽極的傳統(tǒng)問題提供了全新的思路，同時(shí)為鋅離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。更重要的是，皮秒激光技術(shù)在微納結(jié)構(gòu)制備過程中展現(xiàn)出了高度靈活性與可控性。研究人員通過調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度和加工路徑，可以精確控制表面微納結(jié)構(gòu)的尺寸和形貌，以滿足不同儲能需求。這種獨(dú)特的優(yōu)勢，使得皮秒激光技術(shù)不僅適用于鋅離子電池，還能擴(kuò)展到鋰離子電池、鈉離子電池以及超級電容器等其他儲能技術(shù)中，在優(yōu)化電極材料性能和解決枝晶抑制、離子沉積等關(guān)鍵問題上展現(xiàn)出巨大潛力。

從更廣泛的視角來看，皮秒激光技術(shù)不僅在實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)了極大的研究價(jià)值，還具備了向工業(yè)化推廣的潛力。通過與先進(jìn)制造技術(shù)和智能控制系統(tǒng)的結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)將推動儲能設(shè)備的定制化研發(fā)，并為更大規(guī)模的應(yīng)用鋪平道路。然而，其在廣泛應(yīng)用中仍面臨設(shè)備成本、加工效率和規(guī)�；�一致性等挑戰(zhàn)，這些問題的解決需要持續(xù)的跨學(xué)科協(xié)作和技術(shù)創(chuàng)新。值得一提的是，鋅離子電池憑借其高容量、低成本和環(huán)境友好的特性，在電網(wǎng)調(diào)節(jié)、分布式儲能以及可再生能源并網(wǎng)等實(shí)際應(yīng)用場景中具有廣闊的前景，而皮秒激光技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了鋅離子電池的壽命、效率和安全性，為其在儲能市場中占據(jù)更重要位置提供了強(qiáng)有力的支持。

總之，皮秒激光技術(shù)在鋅離子電池性能提升中的成功應(yīng)用，不僅是一項(xiàng)重要的技術(shù)突破，也為實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)能源存儲提供了全新助力。隨著激光加工技術(shù)與電化學(xué)材料設(shè)計(jì)的深度融合，這一領(lǐng)域有望持續(xù)取得創(chuàng)新成果，并推動儲能技術(shù)向更高效、更可靠的方向發(fā)展。

來源：ACT激光聚匯

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