水系锌金属电池因其安全性、低成本和高理论容量而在大规模储能领域具有巨大潜力。然而，腐蚀和枝晶生长等挑战需要实现对锌沉积的精确控制。
在此，斯坦福大学崔屹团队通过外延生长技术在具有纹理的铜箔上实现了大面积、高密度且超平整的锌沉积层。研究制备了具有Cu(100)、Cu(110)和Cu(111)晶面的高质量铜箔，并进行了系统对比。
结果表明，Cu(111)晶面最有利于锌沉积，具有最低的成核过电位、扩散能量和界面能，其库仑效率（CE）高达99.93%，该研究还创造了平面锌的面积载量记录，达到20 mAh/cm2。这些发现明确了最佳的铜和锌晶体面，其中Cu(111)/Zn(0002)组合表现最为突出。
此外，通过MnO2–Zn全电池模型，该研究实现了超过800次循环的卓越循环寿命，且在无正负极限制的电池配置中表现出色。
图1. 锌在不同铜面的极图
总之，该工作成功合成了三种高度取向的铜晶面，并全面研究了锌在不同铜表面（包括未处理的多晶铜）上的外延生长行为。通过实验和理论分析，验证了Cu(100)/Zn(1011)、Cu(110)/Zn(1012)和Cu(111)/Zn(0002)的外延配对。
这使得锌沉积层均匀，展现出99.93%的高库仑效率、无孔隙的20 mAh/cm2锌沉积以及大面积无枝晶的锌沉积层，这些优异的特性使得使用标准ZnSO4盐的可充电水系锌电池性能达到新高。Cu(111)电极在半电池配置中展现出超过880次的卓越循环稳定性，并在无正负极限制的MnO2-Zn电池中实现了创纪录的811次循环。
因此，该工作为锌和铜之间的电化学外延关系提供了宝贵的见解，突出了Cu(111)作为可充电锌电池中集流体材料的最优选择。
图2. 具有无正极和无负极电极的MnO2−Zn水系电池的全电池测试
Epitaxial Electrodeposition of Zinc on Different Single Crystal Copper Substrates for High Performance Aqueous Batteries, Nano Letters 2025 DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04535