文/劉子萱，易金，戴曄；上海大學

隨著能源需求的快速增長和可再生能源的持續(xù)發(fā)展，儲能技術的研究與應用逐漸成為全球關注的焦點。在眾多儲能技術中，水系鋅離子電池（AZIBs）以其高容量、低成本、高安全性和環(huán)境友好等特點，成為近年來的研究熱點。作為一種極具潛力的儲能系統(tǒng)，AZIBs基于鋅金屬作為陽極材料，兼具良好的導電性、高儲能密度及優(yōu)越的環(huán)境兼容性。然而，由于電化學循環(huán)過程中的一系列副反應問題，AZIBs的實際應用始終面臨嚴峻挑戰(zhàn)。典型問題包括：

● 枝晶生長：在局部高電場驅動下，鋅金屬在陽極表面的沉積常以無序形式發(fā)生，形成尖銳的枝晶結構，不僅增加了短路風險，還會導致循環(huán)壽命縮短。

● 析氫反應（HER）：電解液中的水分子在電化學反應中被還原為氫氣，不僅消耗了電池的儲能容量，還加劇了電極的腐蝕。

● 腐蝕和鈍化：鋅陽極表面的不均勻腐蝕和鈍化層的形成阻礙了離子傳遞，進一步降低了電池的性能。

為了解決這些問題，科學家們提出了一系列解決方案。其中，Kang等人[Advanced Energy Materials, 8, 1801090 (2018)]通過在鋅陽極表面覆蓋CaCo3涂層以提高循環(huán)穩(wěn)定性；Ren等人[Advanced Functional Materials, 34, 2312220 (2023)]利用ZnO涂層對鋅陽極進行改性，實現均勻電場分布。各種電解質添加劑也已被證明可有效抑制樹突[ACS Energy Letters, 5, 3012 (2020)]。然而，傳統(tǒng)方法往往面臨成本高、工藝復雜以及穩(wěn)定性不足等問題。與各種化學途徑相比，激光加工更具成本效益，并且適用于大規(guī)模生產。Yang等人[Nanomanufacturing and Metrology, 6, 16 (2023)]利用飛秒激光誘導的石墨烯涂層，降低了Zn的成核過電位和沉積電位；Na等人[ACS Energy Letters, 8, 3297 (2023)]使用了納秒激光光刻策略，得到了優(yōu)異的電化學性能；Yao等人[ACS Applied Material Interfaces, 15, 16584 (2023)]用飛秒激光在鋅陽極表面制造了微納米結構，這類結構不僅可以改善材料的物理化學性能，還能夠通過優(yōu)化電場分布和調控電化學反應動力學，從根本上提升電池性能。

圖1：針對樹突生長的當前策略概述[Small Methods. 7, 2300101 (2023)]。

作為超快激光技術的代表，皮秒激光的脈寬在10-12秒量級，其極短的脈寬使激光與材料之間的能量傳遞時間極為有限，從而顯著減少了熱擴散的影響。正是由于這種特性，皮秒激光能夠在材料表面精確構造出高分辨率的微納結構，同時不會對材料的基體深處造成損傷。在鋅離子電池陽極的改性研究中，這種技術的優(yōu)勢尤為明顯。在鋅離子電池的研究中，皮秒激光技術通過在鋅陽極表面構建周期性微納結構，不僅顯著提升了材料的疏水性能，還有效抑制了鋅枝晶的生長和析氫反應的發(fā)生，從而大幅提高電池的循環(huán)壽命和穩(wěn)定性。

近期，上海大學的研究人員[Advanced Functional Materials, 2417546 (2025)]進一步發(fā)展了這項技術。他們通過皮秒激光技術在鋅陽極表面設計了一種由微米級方形陣列和納米級粗糙結構組成的復合結構。具體而言，每個方形陣列單元的尺寸約為8~9μm，其內部粗糙度進一步提升了結構的抗腐蝕特性。這種微納結構相比于傳統(tǒng)平滑的陽極表面，在優(yōu)化電場分布和引導鋅離子沉積方面發(fā)揮了重要作用。

通過對鋅陽極表面構建微納結構，研究團隊得到了以下實驗結果：

（1）耐腐蝕性能顯著提高

普通鋅陽極和激光處理后的鋅陽極（PLL-Zn），分別被浸泡在ZnSO4溶液中7天。結果顯示：普通鋅陽極表面在浸泡1天后已出現明顯的腐蝕坑，7天后幾乎完全被副產物覆蓋；而PLL-Zn表面則能夠保持清晰的微納結構，僅有少量腐蝕痕跡。

能譜分析（EDS）結果也表明，PLL-Zn陽極表面腐蝕產物的含量遠低于普通鋅陽極，進一步驗證了微納結構對抗腐蝕性能的顯著提升。這是由于經過激光加工的陽極表面具有顯著提升的疏水性，水接觸角從普通鋅陽極的約94°提高到126°。這種超疏水特性減少了陽極與電解液的直接接觸，降低了電化學腐蝕和析氫副反應的發(fā)生概率，延長了陽極的使用壽命。

（2）抑制枝晶生長，優(yōu)化沉積行為

通過皮秒激光構造的微納結構，為鋅離子的沉積提供了更多的成核位點，并且在鋅陽極表面實現了電場的均勻分布，這種均勻電場引導了鋅離子的有序沉積，避免了因局部高電場導致的枝晶生長。

實驗表明，普通鋅陽極表面在工作5分鐘后出現不規(guī)則沉積物和凸起，這些突出位點意味著此處更高的局部電場，導致Zn2+的聚集沉積，使得20分鐘后觀察到明顯的樹突。相反，PLL-Zn陽極在沉積過程中保持平坦的表面，反映了Zn2+的均勻擴散和致密成核。

圖2：裸Zn和PLL-Zn的電化學行為示意圖[Adv. Funct. Mater. 2417546 (2025)]。

（3）優(yōu)先晶面沉積

激光構造的微納結構，能夠引導鋅離子優(yōu)先沿（002）晶面沉積，而該晶面具有最低的表面能和較高的熱力學穩(wěn)定性，從而提高了鋅陽極的電化學穩(wěn)定性。X射線衍射（XRD）分析驗證了這一點：與普通鋅陽極相比，激光改性后的鋅陽極在（002）晶面的峰強顯著增強。這種沉積行為的優(yōu)化，不僅提高了陽極的電化學穩(wěn)定性，還延長了電池的循環(huán)壽命。

（4）電化學性能大幅優(yōu)化

● 鋅對稱電池的長壽命循環(huán)

經激光處理的鋅陽極，在對稱電池測試中展現出長達1400小時的穩(wěn)定循環(huán)壽命，而未處理的鋅陽極在40小時內因枝晶生長而引發(fā)短路。這表明，皮秒激光構造的微納結構顯著延長了電池的使用壽命。

● 鋅-銅半電池的高庫倫效率

在鋅-銅半電池的測試中，改性鋅陽極實現了高達99.83%的平均庫倫效率，遠高于普通鋅陽極。皮秒激光掃描后表面的優(yōu)異疏水性能是實現這一改進的關鍵，其顯著減少了電解液與陽極表面的直接接觸，從而降低析氫反應發(fā)生的概率，同時大幅提升了材料的抗腐蝕性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。

● 鋅-錳氧化物全電池的穩(wěn)定性能

在全電池測試中，激光處理后的鋅陽極進一步驗證了其綜合性能的優(yōu)勢。在1 A/g的電流密度下，基于PLL-Zn的Zn||MnO2全電池在600次循環(huán)后，表現出高達68.7%的容量保持率，而普通鋅陽極僅為50.4%。這一結果表明，激光構造的微納結構不僅優(yōu)化了鋅離子的沉積行為，還顯著改善了電池的倍率性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性。即便在高電流密度下，激光改性鋅陽極依然能夠保持較低的電壓極化和穩(wěn)定的放電曲線，展現出優(yōu)異的倍率性能。

綜上所述，皮秒激光技術通過構建具有優(yōu)異性能的微納結構，從多個方面顯著優(yōu)化了鋅陽極的電化學性能。這一技術為解決鋅陽極的傳統(tǒng)問題提供了全新的思路，同時為鋅離子電池在大規(guī)模儲能領域的應用奠定了堅實基礎。更重要的是，皮秒激光技術在微納結構制備過程中展現出了高度靈活性與可控性。研究人員通過調節(jié)激光功率、掃描速度和加工路徑，可以精確控制表面微納結構的尺寸和形貌，以滿足不同儲能需求。這種獨特的優(yōu)勢，使得皮秒激光技術不僅適用于鋅離子電池，還能擴展到鋰離子電池、鈉離子電池以及超級電容器等其他儲能技術中，在優(yōu)化電極材料性能和解決枝晶抑制、離子沉積等關鍵問題上展現出巨大潛力。

從更廣泛的視角來看，皮秒激光技術不僅在實驗室中展現了極大的研究價值，還具備了向工業(yè)化推廣的潛力。通過與先進制造技術和智能控制系統(tǒng)的結合，這項技術將推動儲能設備的定制化研發(fā)，并為更大規(guī)模的應用鋪平道路。然而，其在廣泛應用中仍面臨設備成本、加工效率和規(guī)�；�一致性等挑戰(zhàn)，這些問題的解決需要持續(xù)的跨學科協(xié)作和技術創(chuàng)新。值得一提的是，鋅離子電池憑借其高容量、低成本和環(huán)境友好的特性，在電網調節(jié)、分布式儲能以及可再生能源并網等實際應用場景中具有廣闊的前景，而皮秒激光技術的應用顯著提升了鋅離子電池的壽命、效率和安全性，為其在儲能市場中占據更重要位置提供了強有力的支持。

總之，皮秒激光技術在鋅離子電池性能提升中的成功應用，不僅是一項重要的技術突破，也為實現綠色、可持續(xù)能源存儲提供了全新助力。隨著激光加工技術與電化學材料設計的深度融合，這一領域有望持續(xù)取得創(chuàng)新成果，并推動儲能技術向更高效、更可靠的方向發(fā)展。

來源：ACT激光聚匯

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