水系鋅離子電池（ZIBs）因成本低、安全性高、環(huán)境友好等優(yōu)勢，成為具備潛力的新型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，但鋅負(fù)極的枝晶生長、腐蝕等問題嚴(yán)重制約其發(fā)展。精準(zhǔn)解析鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)對優(yōu)化其性能至關(guān)重要，共聚焦顯微鏡作為光學(xué)精密測量技術(shù)的核心設(shè)備，為表征鋅負(fù)極表面三維成像提供了關(guān)鍵支撐。光子灣科技共聚焦顯微鏡可精準(zhǔn)捕捉表面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，助力深入探究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)，為鋅離子電池性能提升奠定基礎(chǔ)。

一、研究背景

鋅負(fù)極的枝晶、析氫和鈍化示意圖

金屬鋅儲(chǔ)量大、體積容量高，但鋅枝晶、腐蝕等問題導(dǎo)致電池容量與庫倫效率下降。水系鋅離子電池由正負(fù)極、電解液和隔膜構(gòu)成，工作原理涉及鋅離子嵌入 / 脫出等機(jī)制。鋅負(fù)極面臨的核心問題包括：枝晶生長導(dǎo)致短路，析氫與腐蝕引發(fā)副產(chǎn)物生成及電池壽命衰減。本研究旨在通過退火熱處理與激光加工優(yōu)化鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)，提升電池性能。

二、鋅負(fù)極制造工藝及測試表征

實(shí)驗(yàn)材料包括鋅箔、V?O?、ZnSO?電解液等，儀器涵蓋電測試系統(tǒng)、電化學(xué)工作站及共聚焦顯微鏡等。

鋅 / 氧化鋅復(fù)合負(fù)極采用退火熱處理制造，通過控制加熱溫度、升溫速度和保溫時(shí)間形成復(fù)合層；激光選擇性氧化鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)采用納秒激光加工，調(diào)控掃描線間距、功率等參數(shù)制造特定形貌。

材料表征中，掃描電子顯微鏡（SEM）觀測表面形貌，X 射線衍射（XRD）與 X 射線光電子能譜（XPS）分析物相成分，共聚焦顯微鏡精準(zhǔn)測量表面凹槽深度、寬度等關(guān)鍵參數(shù)；電化學(xué)性能測試包括充放電循環(huán)、倍率性能及塔菲爾曲線等。

三、鋅 / 氧化鋅復(fù)合負(fù)極制造工藝及電池性能研究

退火熱處理得到的鋅負(fù)極的X射線衍射譜

退火熱處理參數(shù)優(yōu)化顯示：加熱溫度 260℃、升溫速度 2℃?min?1、保溫時(shí)間 0.5 h 時(shí)性能優(yōu)。XRD 與 XPS 證實(shí)表面形成氧化鋅層，塔菲爾曲線表明其腐蝕電流更小（0.00022 A），耐腐蝕性優(yōu)于裸鋅。

對稱電池測試中，該復(fù)合負(fù)極過電位僅 25 mV，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提升；全電池峰值比容量約 240 mAh?g?1，1000 次循環(huán)后容量保持率更高，倍率性能優(yōu)于裸鋅負(fù)極。

四、激光選擇性氧化鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)制造研究

共聚焦顯微鏡掃描激光加工鋅表面三維輪廓

激光加工參數(shù)優(yōu)化表明：平行線填充、掃描線間距 0.1 mm、功率 10 kW、加工 10 次時(shí)，表面形成雙層凹槽結(jié)構(gòu)（主凹槽深 120-140 μm，副凹槽深 25-40 μm），共聚焦顯微鏡清晰捕捉該結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

COMSOL 模擬顯示，凹槽處離子通量與電流密度更高，鋅優(yōu)先在凹槽內(nèi)沉積；SEM 與電鍍測試驗(yàn)證了這一機(jī)制，抑制枝晶生長。該結(jié)構(gòu)電解液接觸角僅 25°，潤濕性優(yōu)異，塔菲爾曲線顯示其腐蝕電流 0.00035 A，耐腐蝕性更佳。

五、激光選擇性氧化鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)在電池中的應(yīng)用研究

扣式對稱電池在 1 mA?cm?2 下循環(huán)超 1500 h，過電位＜20 mV，大電流（20 mA?cm?2）下循環(huán)穩(wěn)定性仍優(yōu)于裸鋅；全電池峰值比容量達(dá) 275 mAh?g?1，1800 次循環(huán)庫倫效率超 95%。軟包電池測試中，對稱電池過電位約 24 mV，全電池峰值比容量 227 mAh?g?1，循環(huán) 1100 次后性能穩(wěn)定，與紐扣電池規(guī)律一致，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用潛力。

退火熱處理形成的鋅 / 氧化鋅復(fù)合負(fù)極與激光制造的選擇性氧化鋅結(jié)構(gòu)，均能有效抑制枝晶與腐蝕，提升電池性能。共聚焦顯微鏡等精密測量技術(shù)為解析結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)聯(lián)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。未來可結(jié)合更高精度激光加工與多元界面修飾，進(jìn)一步優(yōu)化鋅負(fù)極性能。光子灣科技的共聚焦顯微鏡等技術(shù)將持續(xù)助力微觀結(jié)構(gòu)解析，推動(dòng)鋅離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為鋅負(fù)極表面結(jié)構(gòu)制造及在鋅離子電池中的應(yīng)用研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)新能源領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)的重要光學(xué)測量工具。