近日，松山湖材料实验室轻元素团队付莹研究员、香港大学支春义教授、香港城市大学吕海明教授等研究人员合作，在水系锌电池铜合金集流体设计方面取得重要进展。研究成果以《Solid Solution Alloys Current Collectors for Stable Aqueous Zinc-Based Battery Anodes》为题，发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上。该项工作以松山湖材料实验室为第一通讯单位，松山湖材料实验室与辽宁大学联合培养的硕士研究生梁炜为第一作者，付莹研究员、支春义教授、吕海明教授为共同通讯作者，该研究工作是轻元素团队与水系锌基电池团队交叉合作的共同成果，同时得到了广东省基础与应用基础研究重大项目、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会基础研究项目等项目的资助与支持。

水系锌基电池（AZBs）因其高安全性和低成本特性，在规模储能领域具有广阔的应用前景。然而，锌负极在长循环过程中面临着枝晶肆意生长、析氢副反应（HER）以及界面腐蚀等关键问题。为了提高锌的利用率并构建实用的电池器件，引入化学惰性的集流体至关重要。尽管纯铜集流体在常规电池中应用广泛，但在水系锌电池体系中，纯铜表面仍会加剧锌的外延无序生长和寄生副反应。针对传统集流体修饰策略（如表面涂层、三维结构等）在长期深充放电循环中易发生界面剥离或改性元素耗竭的问题，研究团队提出利用固溶体合金调控集流体物理化学性质的策略。团队采用真空感应熔炼结合冷轧、退火的传统冶金工艺，成功制备出含有极微量（0.3 wt.%）合金元素的Cu-0.3Ag、Cu-0.3In和Cu-0.3Sn三种固溶体合金箔材。这种单相固溶体结构能够确保合金元素在铜基体中完全均匀分布，从而在整个循环过程中提供持续稳定的改性效果。

微观结构表征与理论计算表明，在三种合金中，Cu-0.3Sn展现出了最为均衡的本征特性。首先，Cu-0.3Sn具有更低的位错密度和最小的晶格失配度，能够为锌的有序外延生长提供理想的基底。其次，密度泛函理论（DFT）计算显示，Cu-0.3Sn表现出显著增强的锌亲和能（-0.85 eV），有效降低了锌的成核能垒。在充电沉积过程中，Cu-0.3Sn能够诱导锌晶体沿着(101)、(110)和(100)等垂直或倾斜的晶面紧密且均匀地生长，从而有效抑制了无序枝晶的产生。此外，Rietveld精修分析表明，锌与基底反应生成的界面合金相（Cu₄Zn）在Cu-0.3Sn表面保持在适中的比例（17.8%），既能缓解界面应力，又避免了因过度合金化导致的界面脆化及粉化失效。

电化学测试结果证实，Cu-0.3Sn集流体在抑制副反应和提升循环稳定性方面表现优异。在Tafel极化和线性扫描伏安（LSV）测试中，Cu-0.3Sn表现出更低的腐蚀电流密度（3.3 mA cm^-2）和更负的析氢过电位，显著提高了耐腐蚀与抑制析氢的能力。在非对称电池测试中，基于Cu-0.3Sn的器件在5 mA cm^-2的电流密度和1 mAh cm^-2的容量下实现了高达99.88%的锌沉积/剥离库仑效率，稳定循环超过4000次。

为进一步验证其实用价值，研究团队组装了全电池及软包电池器件。将Zn@Cu-0.3Sn负极与HATN-3CN有机正极匹配构筑的全电池，在10 A g^-1的大电流密度下展现出极佳的稳定性，循环21000次后无明显容量衰减，并能稳定驱动电子设备。在-20 ℃的低温环境下，该全电池仍能稳定循环115次，平均库仑效率达99.84%。此外，在搭配MnO₂正极、活性物质面载量高达12.74 mg cm^-2的软包电池测试中，该体系在5 A g^-1电流密度下仍可输出超过200 mAh g^-1的放电比容量，并稳定运行230次。

该研究阐明了固溶体合金集流体中位错特征与晶格匹配度对金属锌沉积行为的影响机制，同时也充分考虑了工业应用的可行性。由于锡（Sn）的市场价格远低于银（Ag）和铟（In），且合金添加量极低，Cu-0.3Sn集流体的原材料成本与商用纯铜箔基本持平。结合其与现有熔炼和冷轧等大规模工业化生产工艺的完全兼容性，该低成本、高稳定的固溶体合金集流体策略为实用化、无枝晶水系锌电池的规模化制造提供了一条可行的解决途径。

图1 传统集流体与固溶体合金集流体的作用机制对比示意体，以及固溶体铜合金的制备流程与微观晶格匹配分析

图2 锌在不同基底上的电沉积演变行为，包括XRD图谱、不同时间下的沉积形貌SEM图像、吸附能计算及界面Cu₄Zn相的精修定量分析

图3 纯铜及不同合金集流体的电化学性能对比，显示了Cu-0.3Sn在耐腐蚀性、析氢抑制以及反应动力学方面的协同优势

图4 各类商用及修饰集流体在电解液中浸泡老化后的原位光学显微镜形貌、产气量变化及锌保留容量测试对比

图5 非对称与对称电池在不同电流密度和容量条件下的恒电流循环寿命、库仑效率及电压滞后曲线

图6 水系锌全电池及高负载软包电池的电化学实用性能评估，包括长循环稳定性、倍率特性及低温测试结果

原文链接

https://doi.org/10.1002/adfm.76900

撰稿：轻元素团队、水系锌基电池团队