锌（Zn）金属是用于智能电网和可再生能源储存的可充电水系电池的首选负极材料。要实现锌电池化学的完全可逆性，特别是在快速充电条件下，揭示水系Zn负极上的金属形核和生长至关重要，同时极具挑战性。

近日，华中科技大学孙永明教授，阿贡国家实验室Khalil Amine，陆俊研究员报道了通过原位光学可视化和理论计算研究了Zn金属超快电沉积反应，发现Zn电极的可逆性与不同电流密度下的沉积形态有很强的相关性。

文章要点

1）在1 M的ZnSO₄电解液中，在1 mA cm^-2的低电流密度下，可以观察到不规则堆叠的锌纳米片的不均匀沉积。而当电流密度增加到10 mA cm^-2时，沉积的锌层变得均匀，结构致密。在100 mA cm^-2的超高电流密度下，严重的浓度极化导致具有树状尖角的金属柱沉积。

2）此外，提高电解液中Zn²⁺离子的浓度可以有效地拓宽电流密度窗口，实现金属Zn的均匀电化学镀。在3 M ZnSO₄电解液中，在10-100 mA cm^-2范围内可获得稳定的镀锌/剥离行为，平均库仑效率(CE)超过99%。

3）理论计算进一步表明，不同电流密度下金属Zn的沉积模式取决于结晶热力学、动力学和Zn²⁺离子扩散之间的竞争，导致沉积形态分别为堆叠的六角形板、水平致密颗粒和垂直金属柱。

4）在此基础上，在Zn||Zn对称电池和MnO₂||Zn全电池中均获得了在50 mA cm^-2超大电流密度下放电深度为66.7%的高可逆Zn金属电极。

这项工作中的超快Zn电沉积化学为设计高功率、长寿命水系电池的先进Zn负极提供了新的机会。

参考文献

Zhao Cai, et al, Ultrafast Metal Electrodeposition Revealed by in-situ Optical Imaging and Theoretical Modeling towards Fast-charging Zn Battery Chemistry, Angew. Chem. Int. Ed. 2022

DOI: 10.1002/anie.202116560

https://doi.org/10.1002/anie.202116560