随着能源问题的日益紧迫，人类亟需构建以可再生能源为主导的新的能源结构。在新能源储存方面，可充电的金属负极电池是一个崭新的发展方向。这类金属电极在能量密度方面具有显著的优势，却无法控制电池充电时金属的生长方式。为了解决这一问题， 材料学院17届本科毕业生郑景旭引入了外延生长（epitaxy）的概念来调控金属的沉积形貌，以锌金属负极为示例，使得锌沉积/溶解的可逆性达到了99.9%，循环寿命达到了传统锌电极的100倍。

 

       文章已在SCIENCE杂志上发表，郑景旭为第一作者。题为： “ Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes ”。
 

 

       新型储能与可充电金属负极电池

 

       目前能源是人类社会面临的关键问题之一，传统化石能源被不断消耗。有研究指出，石油资源将在未来约30年内枯竭，我们急需开发相关的科技，构建以可再生能源为主导的能源结构。然而，不少可再生能源的收集是间断的，如太阳能和风能，到了夜间或无风之日则无法收集。因此，还需要可靠的储能技术，将收集到的可再生能源以电化学的形式储存起来，以便在任何我们需要的时候进行利用。

 

       可充电的金属负极电池是一个比较新的概念，相比于商用的嵌入式负极，这类金属电极的最大优势是在于能量密度高，但问题是，在电池充电时，金属会以不可控的方式生长，也就是我们通常说的“枝晶”。这是很危险的，因为这种生长方式会让金属刺穿隔膜，导致正负极直接连接，发生短路——轻则电池失效，重则发生火 灾。

       外延生长调控金属电沉积形貌

 

       这篇文章中，郑景旭及同事引入了外延生长（epitaxy）的概念来调控金属的沉积形貌。其灵感很大部分来源于在上海交通大学本科阶段的研究。期间，他经常利用透射电镜观察金属材料中的各种共格界面，这些界面是在冶金的过程中形成的，使得某一相（secondary phase）和基体（matrix）具有某种特定的位向关系。事实上，这种关系也可以在电化学沉积中实现。于是，他利用暴露特定晶面的基底（substrate），通过这种共格界面外延生长的方式，在原子级别调控金属的电化学沉积，从而获得了非常规律、平整的金属沉积形貌。

 

       文章以锌金属负极为示例，实验结果显示，锌沉积/溶解的可逆性达到了99.9%，循环寿命是传统锌电极的100倍。

       未来应用领域广泛

 

       可充电的金属负极电池是一个极富潜力的领域。针对自己的工作，郑景旭也做好了一些未来的设想。第一，在电池领域，他的这种方法可以拓展到所有利用金属电极的电池体系中，例如锂金属、铝金属等等——这将给电池的能量密度和寿命带来非常大的实质性的提升，提升程度甚至可能是数量级的。第二，在催化领域，能够在原子的层面调控金属的沉积形貌。这是一项基础性的技术。虽然在文章中，他们主要以电池作了示范，但目前，郑景旭也在持续努力，开发这项技术在电催化方面的应用。