隨著能源問題的日益緊迫，人類亟需構建以可再生能源為主導的新的能源結構。在新能源儲存方面，可充電的金屬負極電池是一個嶄新的發展方向。這類金屬電極在能量密度方面具有顯著的優勢，卻無法控制電池充電時金屬的生長方式。為了解決這一問題， 材料學院17屆本科畢業生鄭景旭引入了外延生長（epitaxy）的概念來調控金屬的沉積形貌，以鋅金屬負極為示例，使得鋅沉積/溶解的可逆性達到了99.9%，循環壽命達到了傳統鋅電極的100倍。

 

       文章已在SCIENCE雜志上發表，鄭景旭為第一作者。題為： “ Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes ”。
 

 

       新型儲能與可充電金屬負極電池

 

       目前能源是人類社會面臨的關鍵問題之一，傳統化石能源被不斷消耗。有研究指出，石油資源將在未來約30年內枯竭，我們急需開發相關的科技，構建以可再生能源為主導的能源結構。然而，不少可再生能源的收集是間斷的，如太陽能和風能，到了夜間或無風之日則無法收集。因此，還需要可靠的儲能技術，將收集到的可再生能源以電化學的形式儲存起來，以便在任何我們需要的時候進行利用。

 

       可充電的金屬負極電池是一個比較新的概念，相比于商用的嵌入式負極，這類金屬電極的最大優勢是在于能量密度高，但問題是，在電池充電時，金屬會以不可控的方式生長，也就是我們通常說的“枝晶”。這是很危險的，因為這種生長方式會讓金屬刺穿隔膜，導致正負極直接連接，發生短路——輕則電池失效，重則發生火 災。

       外延生長調控金屬電沉積形貌

 

       這篇文章中，鄭景旭及同事引入了外延生長（epitaxy）的概念來調控金屬的沉積形貌。其靈感很大部分來源于在上海交通大學本科階段的研究。期間，他經常利用透射電鏡觀察金屬材料中的各種共格界面，這些界面是在冶金的過程中形成的，使得某一相（secondary phase）和基體（matrix）具有某種特定的位向關系。事實上，這種關系也可以在電化學沉積中實現。于是，他利用暴露特定晶面的基底（substrate），通過這種共格界面外延生長的方式，在原子級別調控金屬的電化學沉積，從而獲得了非常規律、平整的金屬沉積形貌。

 

       文章以鋅金屬負極為示例，實驗結果顯示，鋅沉積/溶解的可逆性達到了99.9%，循環壽命是傳統鋅電極的100倍。

       未來應用領域廣泛

 

       可充電的金屬負極電池是一個極富潛力的領域。針對自己的工作，鄭景旭也做好了一些未來的設想。第一，在電池領域，他的這種方法可以拓展到所有利用金屬電極的電池體系中，例如鋰金屬、鋁金屬等等——這將給電池的能量密度和壽命帶來非常大的實質性的提升，提升程度甚至可能是數量級的。第二，在催化領域，能夠在原子的層面調控金屬的沉積形貌。這是一項基礎性的技術。雖然在文章中，他們主要以電池作了示范，但目前，鄭景旭也在持續努力，開發這項技術在電催化方面的應用。