伦敦大学学院何冠杰等: 重新审视水系锌金属电池失效机制

研究背景

水系锌金属电池(Aqueous Zinc Metal Batteries, AZMBs)因其高安全性、低成本和高离子电导率，被认为是极具潜力的新一代储能体系。然而，其实际应用长期受限于循环稳定性不足的问题。传统观点认为，锌枝晶生长与析氢反应(HER)是导致AZMBs失效的两大核心因素，因此大量研究集中于锌负极的界面修饰、电解液调控与保护层构筑。值得注意的是，现有关于锌枝晶与析氢行为的认识，主要来源于原位光学显微镜/原子力显微镜等表征方法。这类研究往往依赖人为引入空腔、观察窗口或非致密结构，以提高可视化程度。然而，这些“改造型”电池构型是否真实反映了实际服役条件下的锌沉积行为，仍然缺乏系统验证。尤其是在更接近实际应用的致密电池结构中，锌枝晶和析氢反应是否依然主导电池失效，是一个亟待重新审视的关键科学问题。

In-Operando X-Ray Imaging for Sobering Examination of Aqueous Zinc Metal Batteries

Yuhang Dai, Hongzhen He, Mengzheng Ouyang, Jianuo Chen, Jie Lin, Haobo Dong*, Guanjie He*

Nano-Micro Letters (2026)18: 85

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01911-0

本文亮点

1. 回归真实构型，聚焦反应初期：通过原位运行条件下的同步辐射X射线成像技术，对比不同电池构型下反应初期锌沉积与析氢行为，揭示常规表征构型对初始副反应的放大效应。

2. 构型主导初始副反应强度：研究发现，在致密、接近真实工况的构型中，反应初期锌枝晶萌生与析氢反应明显受抑制，表明传统测试方式可能高估了锌负极初始副反应的严重性。

内容简介

针对水系锌金属电池中锌枝晶生长与析氢反应主导失效机制的传统认知，伦敦大学学院何冠杰引入原位运行条件下的同步辐射X射线成像技术，对不同电池构型条件下的锌沉积行为进行了无损、实时的可视化观测。研究系统设计并对比了原型电池构型、安装式电池构型以及仿真实服役条件的电池构型三种具有代表性的体系，旨在区分实验表征构型效应与实际服役行为之间的本质差异。研究结果表明，在原型构型与安装式构型中，由于人为引入的结构不连续性和空腔界面，局部电场分布发生显著畸变，同时形成连续的固-液-气三相界面，从而显著促进析氢反应的发生并诱导锌枝晶的优先生长。相比之下，在结构致密、无人工空腔的仿真实服役构型中，电场分布更加均匀，锌沉积过程表现出更高的稳定性，锌枝晶生长及析氢行为均得到显著抑制。进一步结合计时安培法动力学分析以及锌-二氧化锰全电池的电极替换实验，研究发现：更换正极材料能够有效恢复电池容量并改善循环衰减趋势，而单独更换锌负极无法恢复电池性能。这一结果表明，在更接近实际应用条件的电池构型下，正极材料及其界面结构的变化可能对电池性能演化产生更重要的影响。

图文导读

I 构型决定行为：不同电池结构下的锌沉积与析氢反应

如图1所示，原型电池构型(prototype cells)与安装式电池构型(mounted cells)中人为引入的观察窗口与结构不连续性，导致局部电场畸变并形成明显的电极-电解液-气体三相界面，从而显著促进析氢反应与锌枝晶生长。相比之下，仿真实服役条件(real-service-inspired cell)的电池构型采用致密结构，更接近实际电池构型，有效维持了电场均匀性并抑制了副反应的发生。

图1. 不同电池构型下锌沉积与析氢行为的结构示意图。

II 原位运行条件下的X射线成像揭示真实界面演化

通过原位运行条件下的X射线成像技术(图2)，作者直观观察到三种构型在运行过程中的界面演化差异。原型电池构型中大量氢气气泡与锌枝晶快速生成；安装式电池构型虽在一定程度上减弱析氢反应，但边缘放电效应尤为突出；而在仿真实服役条件的电池构型中，析氢反应几乎可以忽略，锌枝晶生长亦受到显著抑制。

图2. 不同构型下电极-电解液界面的原位运行X射线成像结果。

III 动力学分析

基于计时安培法的动力学分解模型(图3)，仿真实服役条件的电池构型中锌沉积能够迅速完成从二维成核向三维生长的转变，表明其沉积过程更加均匀稳定。结合锌对称电池性能比较(图4)，研究进一步指出，在接近实际工况下，锌沉积过程相比“改造型”电池体系更加稳定。

图3. 不同构型下锌沉积动力学的二维-三维转变分析。

图4. 不同构型下锌对称电池的恒电流循环曲线，基于世伟洛克电池。

IV 失效溯源：正极退化不可忽视

如图5所示，在Zn||MnO₂全电池出现性能衰减后，对电池进行电极替换操作：当更换为新鲜的MnO₂正极时，电池容量及其演化趋势能够得到明显恢复；而仅更换锌负极后，电池容量未能恢复，仍呈现持续衰减趋势。

图5. Zn||MnO₂全电池的电极替换实验结果。

V 总结

本研究通过原位运行条件下的同步辐射X射线成像技术，结合接近真实服役条件的电池构型设计，对水系锌金属电池中长期被视为共识的失效机制进行了系统反思。研究表明，在致密、真实工况下，锌枝晶与析氢反应并非必然主导电池失效，而正极退化、边缘放电效应及构型失配等因素同样关键。该工作强调了在研究金属电池失效机制时，合理选择表征构型的重要性，为水系锌金属电池乃至其他金属电池体系的真实评估与工程化设计提供了新的思路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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