原位X射线成像揭示水系锌金属电池的真实失效机制：阳极副反应被高估

《Nano-Micro Letters》：In-Operando X-Ray Imaging for Sobering Examination of Aqueous Zinc Metal Batteries

　　为解决水系锌金属电池(AZMBs)在实际应用中的循环稳定性问题，研究人员通过原位X-ray radiography技术对比研究了传统改性电池与真实服务型电池中锌枝晶生长和析氢反应(HER)行为。研究发现密集封装结构能显著抑制Zn dendrites和HER，表明阴极降解和界面接触问题可能是限制AZMBs性能的关键因素，为实用化电池设计提供了新方向。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的日益增长，水系锌金属电池(Aqueous Zinc Metal Batteries, AZMBs)因其高理论容量(820 mAh g^-1)、成本效益和本征安全性成为最具潜力的电化学储能体系之一。然而，其产业化进程始终受限于循环寿命短的核心痛点。传统观点将这一问题主要归因于锌负极的枝晶生长和析氢副反应——前者可能引发短路，后者则导致电池膨胀和电极分离。但令人困惑的是，基于光学显微镜、原子力显微镜等常规表征手段的研究结论，与实际电池的表现往往存在显著差异。

为了揭开这一谜团，由Yuhang Dai、Hongzhen He和Mengzheng Ouyang作为共同第一作者，Haobo Dong和Guanjie He共同通讯的研究团队在《Nano-Micro Letters》上发表了突破性研究。他们创新性地采用同步辐射原位X射线成像技术，首次在接近真实服役条件的电池构型中直观揭示了AZMBs的早期电化学行为。研究发现，传统表征中观察到的剧烈锌枝晶和析氢现象，在密集封装的实际电池中竟得到显著缓解——这一发现对领域内长期存在的认知偏差提出了重要修正。

研究人员通过三类典型电池构型的对比实验展开探索：原型电池(无隔膜设计)模拟了传统表征中常见的三相处暴露状态；加装Kapton观察窗的封装电池放大了边缘效应；而真实服务型电池则完全模拟商品化纽扣/软包电池的密集堆叠结构。通过同步辐射X射线放射成像技术(30 keV单色光，0.5秒曝光时间)，团队实现了对电极-电解质界面的原位动态监测。

关键实验数据显示，在15 mA cm^-2的高电流密度下，原型电池中可见明显的三相处反应和气泡生成，而真实服务型电池的界面反应均匀性显著提升。计时电流分析进一步证实：真实服务型电池的二维向三维扩散主导转变时间仅1.5秒，远快于传统构型(51秒以上)，说明其具备更均匀的成核生长环境。更令人惊讶的是，在Zn||MnO₂全电池的电极替换实验中，更换衰降阴极可使容量恢复，而更换锌负极反而加速衰减，这提示阴极界面降解可能是制约全电池性能的更关键因素。

3.1 不同构型中锌沉积行为的可视化研究

通过原位X射线成像对比发现，原型电池因存在显著固-液-气三相处，表现出最剧烈的HER和枝晶生长。加装观察窗的封装电池虽抑制了HER，却引发更严重的边缘放电效应。而真实服务型电池由于均匀电场分布和三相处抑制，副反应显著减轻。这一现象通过原位光学显微镜得到交叉验证。

3.2 电化学模型解析锌沉积差异

计时电流法曲线分解显示，真实服务型电池的二维向三维生长转变速度比传统构型快30倍以上，证明其具备更理想的成核动力学。恒流循环测试中，真实服务型电池实现25小时稳定循环，远超传统构型的5小时寿命，与成像观察到的温和副反应相互印证。

3.3 电极替换与失效分析

全电池拆解实验表明，阴极侧副产物积累和结构变化远重于阳极侧。电极替换实验进一步证实：阴极界面退化对容量衰减的贡献大于阳极问题，这为AZMBs失效机制提供了全新视角。

研究最终得出结论：传统表征方法因引入人工空隙而放大副反应，真实密集电池中锌枝晶和HER的严重性被高估。电场均匀性和三相处抑制是提升稳定性的关键，而阴极降解、边缘放电等此前被忽视的因素，可能才是制约实用化AZMBs性能的瓶颈。这项研究不仅为电池设计提供了新思路，更建立了更贴近实际工况的表征范式，推动水系电池研究向产业化迈出关键一步。