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近日，同濟大學化學科學與工程學院劉明賢教授團隊在鋅基儲能領域取得里程碑式突破。該團隊通過創新的低應力介導外延鍍膜技術，首次在鋅負極表面實現具有最低表面成核能的（0002）晶面定向暴露，成功攻克制約鋅金屬電池商業化應用的核心難題。相關研究成果以"Low Strain Mediated Zn(0002)Plane Epitaxial Plating for Highly Stable Zinc Metal Batteries"為題發表于國際頂級化學期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie），并被選為當期封面論文。

傳統鋅負極在充放電過程中易形成尖銳枝晶，導致電池短路甚至爆炸，同時鋅金屬的高化學活性引發持續析氫腐蝕。劉明賢教授團隊通過原子級精度調控，采用低溫低壓的分子束外延技術，在鋅箔表面構筑起厚度僅2nm的氮化鋰（Li?N）緩沖層。這種創新結構既降低了晶體生長應力，又誘導鋅原子以（0002）晶面優先有序沉積，使電極表面粗糙度從微米級降至納米級。

實驗數據顯示，采用該技術制備的鋅負極在0.5mA/cm²電流密度下，經過5000小時連續充放電測試后，體積膨脹率僅為3.2%（傳統工藝超20%），析氫副反應電流密度下降92%。搭載該負極的鋅離子電池在模擬電網儲能工況下，循環壽命突破2000次，能量密度較現有技術提升40%。

"我們通過應力工程調控材料界面行為，從根本上改變了鋅負極的腐蝕動力學機制。"劉明賢教授形象地解釋道，"這層超薄緩沖層如同給活潑的鋅金屬穿上了‘納米防護服’，既抑制了枝晶刺穿隔膜，又阻斷了電解質與鋅的直接接觸。"團隊成員、博士生王浩然補充說："原子力顯微鏡觀測顯示，（0002）晶面的擇優生長使電極表面形成自組裝的六邊形蜂窩結構，這種‘最密堆積’特征顯著提升了離子傳輸效率。"

鋅金屬電池作為最具潛力的"綠色電池"之一，其理論比容量（3870mAh/g）遠超鋰離子電池（~200mAh/g），且資源儲量豐富、成本低廉。然而，上述技術瓶頸導致其產業化進程嚴重滯后。據彭博新能源財經預測，若該技術實現量產，到2030年鋅電池市場規模有望突破500億美元，徹底改變現有儲能產業格局。

目前，團隊已與寧德時代、國軒高科等龍頭企業達成合作意向，共同開發下一代高安全儲能系統。"這種‘自愈合’鋅負極技術特別適用于大規模儲能電站和電動汽車。"寧德時代研究院副院長表示，"我們正聯合攻關10Ah級軟包電池樣機，預計2024年底完成中試。"

《德國應用化學》審稿人評價："這項工作開創了應力調控界面工程的新范式，其原子級精度制備技術為設計高性能金屬負極提供了普適性方法論。"美國佐治亞理工學院材料科學教授David Wang指出："該研究不僅解決了鋅電池的壽命難題，更揭示了應力場與晶體生長的深層次關聯，對鈉離子電池、鎂電池等金屬負極體系具有重要借鑒意義。"

據悉，該團隊已申請發明專利23項，其中PCT國際專利5項。依托同濟大學"長三角儲能材料與器件工程技術研究中心"，研究人員正致力于開發全固態鋅電池體系，力爭在2025年前建成百噸級鋅基儲能材料中試基地，為我國新能源戰略提供關鍵技術支撐。