超声辅助液态金属溶剂室温快速构建三维网络结构GaIn@Zn负极及其在锌离子电池中的性能增强机制

　　为解决锌金属负极的枝晶生长和界面腐蚀问题，研究人员创新性地采用超声空化技术，在室温液态金属(GaIn LMA)溶剂中快速构建三维网络结构GaIn@Zn负极。该电极不仅继承液态金属涂层的无枝晶、低过电位优势，更通过三维结构将锌成核过电位降至10 mV，在1.5 mA cm?2 下实现1200次循环99.73%的库伦效率，为高稳定性锌离子电池设计提供新思路。

　　

随着全球能源存储需求激增，锌离子电池因其-0.762 V（vs SHE）的低氧化还原电位、820 mAh g^?1
的高理论容量成为研究热点。然而，弱酸性电解液中锌电极面临双重挑战：腐蚀反应产生疏松副产物，电化学过程中不均匀沉积引发枝晶生长，后者可能刺穿隔膜导致短路。传统室温液态金属(RTLM)涂层虽能改善界面兼容性，但其高流动性易导致涂层变形脱落，且高表面张力使大面积均匀涂覆困难。

针对这一瓶颈，山东省级科研项目团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，提出超声辅助液态金属渗透新策略。通过360 W超声波处理1分钟，使GaIn液态金属合金(LMA)快速渗入锌箔形成三维网络结构，擦除表面多余LMA后获得稳定GaIn@Zn负极。该技术突破传统刮涂法局限，实现液态金属在锌体相而非仅表面的三维分布。

关键技术包括：超声空化辅助液态金属渗透（1-4分钟）、三维结构形貌表征（SEM/XRD）、电化学性能测试（对称电池/Zn//Cu半电池循环）。研究结果显示，三维网络结构使电极接触面积显著增加，GaIn相加速Zn²⁺
传输动力学。在1.5 mA cm^?2
和1.5 mAh cm^?2
条件下，对称电池循环寿命达1150小时，较传统电极提升8倍。与MnO₂
正极组装的电池经5000次循环后容量保持率88.9%，库伦效率近100%。

结果与讨论

1. 三维结构构建机制：超声空化产生瞬时高压使GaIn LMA突破锌表面氧化层，声流效应促进合金深度渗透，形成互锁网络结构。
2. 电化学优势：三维结构降低局部电流密度，GaIn相提供均匀成核位点，使成核过电位从常规的50 mV降至10 mV。
3. 界面稳定性：XPS证实GaIn相与电解液形成Ga-O-Zn化学键，抑制副反应，腐蚀电流密度降低至裸锌的1/5。

结论
该研究通过超声辅助液态金属渗透技术，首次实现锌负极体相三维合金化改造。三维网络结构兼具物理屏障和化学调控功能：几何结构抑制枝晶，GaIn相优化Zn²⁺
传输路径，界面化学键增强稳定性。这种"结构-化学"双功能设计为高安全、长寿命锌基储能器件开发提供新范式，其室温快速制备工艺（1分钟）更具产业化潜力。研究获得山东省自然科学基金（ZR2022ME197）等多项资助，技术已申请南山集团科技计划项目（2024–6–1）支持转化应用。