华南理工袁伟教授AEM：应力预释放-解锁无枝晶锌负极的新钥匙

第一作者：武旭扬

通讯作者：袁伟

单位：华南理工大学

锌基电池由于高理论容量、成本低、高安全等优点成为下一代储能电池的有利竞争者。然而锌负极不可控的枝晶生长严重限制了锌基电池的实际应用。在锌基电池充放电过程中，锌离子的沉积/剥离、嵌入/脱嵌等行为伴随着电极体积膨胀和收缩与应力深度耦合，电极内部/界面的应力分布会直接影响锌负极的动力学特性，进而影响电池电化学性能。然而，关于应力作用下锌负极的反应机理尚未形成体系性认知，特别是以应力调控为导向的电极结构设计一直处于研究空白。

近日，来自华南理工大学的袁伟教授团队在国际顶级期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Stress Prerelease-Driven Dendrite-Free Growth Mechanism to Stabilize Zn Anodes”的文章。该文章明确了电极应力分布（ESZC）在锌沉积中的关键作用，提出在电极制造过程中预先释放电极应力的策略，使电极在锌沉积时获得充足的应力释放能力，以实现锌结晶应力的传递和释放。该团队指出电极在锌沉积中实现应力释放需要满足两个条件：ⅰ）具有低弹性模量以策动自身应变，完成应力传递；ⅱ）具有理想的结构特性和应力状态，在应力冲击下实现应变的自释放。

然而现有电极很难满足上述要求，该团队提出在电极制造过程中使用软基底约束预先释放电极内部应力的方法，通过应力-结构耦合设计获得理想机械性能的新型电极。文章中选择碳纳米纤维自支撑电极为沉积载体，在热处理中通过软基底约束释放电极应力，通过原位应变测试和物相表征，阐明了应力预释放策略下沉积应力释放过程及无枝晶锌负极沉积形态，验证了应力预释放机制下电极应力传递、释放与锌沉积反应动力学、宏/微结构演变的构效关系，为应力影响下锌反应机制和电极优化策略的研究提供了理论和实践指导。

本文提出一种巧妙的方法在自支撑电极热处理中预先释放内部应力，即在自支撑电极上下两侧施加软基底约束，引导电极内部应力通过软基底应变进行释放。通过有限元模拟和电极机械性能测试，证明软基底约束可以有效降低电极弹性模量，释放电极内部应力。同时，文章计算了理想的软基底约束应具有的弹性模量和热膨胀系数范围，为自支撑电极的应力释放提供了理论指引。本文通过应力预释放策略实现了电极应力-结构耦合设计及创成，为电极应力调控及力-构耦合设计开辟了新的研究赛道。

本文通过电极应变-电化学原位测试、纳米压痕和残余应力测试验证了应力预释放机制下电极机械性能演变规律，证明了应力预释放机制对于沉积应力释放的关键作用。该文章通过计算应力预释放机制下电极应变状态引起的化学势变化，建立了电极应力-电化学反应动力学-锌沉积形貌的理论关联，揭示了应力预释放机制对锌沉积动力学的调控作用，为厘清应力作用下电极反应机制提供了理论指引。

相较于传统CNF电极，CNF-SPR电极表现出更优异的电化学性能。在5 mA cm^-2的电流密度下，CNF-SPR电极可以引导锌在纤维表面均匀成核、生长，并沿纤维表面外延扩散，而CNF电极表面出现大面积垂直生长的枝晶。通过电化学性能测试和结构演变分析，证明应力预释放机制可以引导锌均匀沉积和外延生长，实现无枝晶锌负极。

在镀锌的Zn@CNF-SPR电极、Zn@CNF电极和锌箔组装的对称电池中，Zn@CNF-SPR电极在不同电流密度、不同容量下均表现出最低的过电位和最长的循环寿命。通过电极应变-电化学原位测试发现，Zn@CNF-SPR电极在反复沉积/剥离中均可实现应力的有效传递和释放，验证了应力预释放机制在电池实际工作中对结晶应力的释放作用。在全电池的测试中，Zn@CNF-SPR电极组装的全电池表现出了更优异的循环稳定性和倍率性能，这主要归因于Zn@CNF-SPR电极良好的机械性能及应力释放能力，该全电池在 1.0 A g^-1 电流密度下可以稳定循环超过4000 次。

本文提出应力预释放机制实现无枝晶锌负极的新策略，通过在电极制造过程中预先释放内部应力的方法，构筑理想应力状态的电极结构以驱动锌沉积应力的传递和释放，进而调控锌的成核和反应动力学，提高锌负极结构稳定性。通过原位应变测试和宏/微结构演变表征，揭示了应力预释放机制在锌沉积中应力传递、转移过程中的关键作用，证明了应力预释放机制下无枝晶锌负极创成路径。本文建立了锌沉积中电极应力-电化学反应动力学-锌沉积形貌的理论关联，通过应力-结构-电化学的多场多相耦合调控实现了无枝晶锌负极的可控制备。本研究为阐明应力对锌枝晶的影响提供了理论和实验参考，为无枝晶锌负极的研究开辟了新的路径。

Stress Prerelease-Driven Dendrite-Free Growth Mechanism to Stabilize Zn Anodes

袁伟，华南理工大学二级教授、博士生导师，机械制造及其自动化学科方向带头人，功能结构与器件高性能制造研究中心主任，“先进电动汽车电源与热控系统”广东省工程技术研究中心主任。国家万人计划领军人才、国家优秀青年科学基金获得者。研究方向为面向绿色能源及先进储能器件的先进制造技术及应用。迄今发表SCI索引论文140余篇，入选ESI高被引论文4篇。以第一发明人获授权发明专利30余件，PCT国际专利3件。获得国家科技进步二等奖、广东省自然科学二等奖、中国专利优秀奖、教育部霍英东青年科学奖、广东省青年科技创新奖等。

武旭扬，华南理工大学机械专业博士研究生。研究方向为金属负极力-构-电耦合调控机制及电极功能结构设计与制造。目前，在Advanced Energy Materials、Advanced Science、International Journal of Extreme Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology、Chemical Engineering Journal等国际顶级期刊发表高水平学术论文多篇，授权发明专利1项。