文/刘子萱，易金，戴晔；上海大学

随着能源需求的快速增长和可再生能源的持续发展，储能技术的研究与应用逐渐成为全球关注的焦点。在众多储能技术中，水系锌离子电池（AZIBs）以其高容量、低成本、高安全性和环境友好等特点，成为近年来的研究热点。作为一种极具潜力的储能系统，AZIBs基于锌金属作为阳极材料，兼具良好的导电性、高储能密度及优越的环境兼容性。然而，由于电化学循环过程中的一系列副反应问题，AZIBs的实际应用始终面临严峻挑战。典型问题包括：

● 枝晶生长：在局部高电场驱动下，锌金属在阳极表面的沉积常以无序形式发生，形成尖锐的枝晶结构，不仅增加了短路风险，还会导致循环寿命缩短。

● 析氢反应（HER）：电解液中的水分子在电化学反应中被还原为氢气，不仅消耗了电池的储能容量，还加剧了电极的腐蚀。

● 腐蚀和钝化：锌阳极表面的不均匀腐蚀和钝化层的形成阻碍了离子传递，进一步降低了电池的性能。

为了解决这些问题，科学家们提出了一系列解决方案。其中，Kang等人[Advanced Energy Materials, 8, 1801090 (2018)]通过在锌阳极表面覆盖CaCo3涂层以提高循环稳定性；Ren等人[Advanced Functional Materials, 34, 2312220 (2023)]利用ZnO涂层对锌阳极进行改性，实现均匀电场分布。各种电解质添加剂也已被证明可有效抑制树突[ACS Energy Letters, 5, 3012 (2020)]。然而，传统方法往往面临成本高、工艺复杂以及稳定性不足等问题。与各种化学途径相比，激光加工更具成本效益，并且适用于大规模生产。Yang等人[Nanomanufacturing and Metrology, 6, 16 (2023)]利用飞秒激光诱导的石墨烯涂层，降低了Zn的成核过电位和沉积电位；Na等人[ACS Energy Letters, 8, 3297 (2023)]使用了纳秒激光光刻策略，得到了优异的电化学性能；Yao等人[ACS Applied Material Interfaces, 15, 16584 (2023)]用飞秒激光在锌阳极表面制造了微纳米结构，这类结构不仅可以改善材料的物理化学性能，还能够通过优化电场分布和调控电化学反应动力学，从根本上提升电池性能。

图1：针对树突生长的当前策略概述[Small Methods. 7, 2300101 (2023)]。

作为超快激光技术的代表，皮秒激光的脉宽在10-12秒量级，其极短的脉宽使激光与材料之间的能量传递时间极为有限，从而显著减少了热扩散的影响。正是由于这种特性，皮秒激光能够在材料表面精确构造出高分辨率的微纳结构，同时不会对材料的基体深处造成损伤。在锌离子电池阳极的改性研究中，这种技术的优势尤为明显。在锌离子电池的研究中，皮秒激光技术通过在锌阳极表面构建周期性微纳结构，不仅显著提升了材料的疏水性能，还有效抑制了锌枝晶的生长和析氢反应的发生，从而大幅提高电池的循环寿命和稳定性。

近期，上海大学的研究人员[Advanced Functional Materials, 2417546 (2025)]进一步发展了这项技术。他们通过皮秒激光技术在锌阳极表面设计了一种由微米级方形阵列和纳米级粗糙结构组成的复合结构。具体而言，每个方形阵列单元的尺寸约为8~9μm，其内部粗糙度进一步提升了结构的抗腐蚀特性。这种微纳结构相比于传统平滑的阳极表面，在优化电场分布和引导锌离子沉积方面发挥了重要作用。

通过对锌阳极表面构建微纳结构，研究团队得到了以下实验结果：

（1）耐腐蚀性能显著提高

普通锌阳极和激光处理后的锌阳极（PLL-Zn），分别被浸泡在ZnSO4溶液中7天。结果显示：普通锌阳极表面在浸泡1天后已出现明显的腐蚀坑，7天后几乎完全被副产物覆盖；而PLL-Zn表面则能够保持清晰的微纳结构，仅有少量腐蚀痕迹。

能谱分析（EDS）结果也表明，PLL-Zn阳极表面腐蚀产物的含量远低于普通锌阳极，进一步验证了微纳结构对抗腐蚀性能的显著提升。这是由于经过激光加工的阳极表面具有显著提升的疏水性，水接触角从普通锌阳极的约94°提高到126°。这种超疏水特性减少了阳极与电解液的直接接触，降低了电化学腐蚀和析氢副反应的发生概率，延长了阳极的使用寿命。

（2）抑制枝晶生长，优化沉积行为

通过皮秒激光构造的微纳结构，为锌离子的沉积提供了更多的成核位点，并且在锌阳极表面实现了电场的均匀分布，这种均匀电场引导了锌离子的有序沉积，避免了因局部高电场导致的枝晶生长。

实验表明，普通锌阳极表面在工作5分钟后出现不规则沉积物和凸起，这些突出位点意味着此处更高的局部电场，导致Zn2+的聚集沉积，使得20分钟后观察到明显的树突。相反，PLL-Zn阳极在沉积过程中保持平坦的表面，反映了Zn2+的均匀扩散和致密成核。

图2：裸Zn和PLL-Zn的电化学行为示意图[Adv. Funct. Mater. 2417546 (2025)]。

（3）优先晶面沉积

激光构造的微纳结构，能够引导锌离子优先沿（002）晶面沉积，而该晶面具有最低的表面能和较高的热力学稳定性，从而提高了锌阳极的电化学稳定性。X射线衍射（XRD）分析验证了这一点：与普通锌阳极相比，激光改性后的锌阳极在（002）晶面的峰强显著增强。这种沉积行为的优化，不仅提高了阳极的电化学稳定性，还延长了电池的循环寿命。

（4）电化学性能大幅优化

● 锌对称电池的长寿命循环

经激光处理的锌阳极，在对称电池测试中展现出长达1400小时的稳定循环寿命，而未处理的锌阳极在40小时内因枝晶生长而引发短路。这表明，皮秒激光构造的微纳结构显著延长了电池的使用寿命。

● 锌-铜半电池的高库伦效率

在锌-铜半电池的测试中，改性锌阳极实现了高达99.83%的平均库伦效率，远高于普通锌阳极。皮秒激光扫描后表面的优异疏水性能是实现这一改进的关键，其显著减少了电解液与阳极表面的直接接触，从而降低析氢反应发生的概率，同时大幅提升了材料的抗腐蚀性能和长期循环稳定性。

● 锌-锰氧化物全电池的稳定性能

在全电池测试中，激光处理后的锌阳极进一步验证了其综合性能的优势。在1 A/g的电流密度下，基于PLL-Zn的Zn||MnO2全电池在600次循环后，表现出高达68.7%的容量保持率，而普通锌阳极仅为50.4%。这一结果表明，激光构造的微纳结构不仅优化了锌离子的沉积行为，还显著改善了电池的倍率性能和长期循环稳定性。即便在高电流密度下，激光改性锌阳极依然能够保持较低的电压极化和稳定的放电曲线，展现出优异的倍率性能。

综上所述，皮秒激光技术通过构建具有优异性能的微纳结构，从多个方面显著优化了锌阳极的电化学性能。这一技术为解决锌阳极的传统问题提供了全新的思路，同时为锌离子电池在大规模储能领域的应用奠定了坚实基础。更重要的是，皮秒激光技术在微纳结构制备过程中展现出了高度灵活性与可控性。研究人员通过调节激光功率、扫描速度和加工路径，可以精确控制表面微纳结构的尺寸和形貌，以满足不同储能需求。这种独特的优势，使得皮秒激光技术不仅适用于锌离子电池，还能扩展到锂离子电池、钠离子电池以及超级电容器等其他储能技术中，在优化电极材料性能和解决枝晶抑制、离子沉积等关键问题上展现出巨大潜力。

从更广泛的视角来看，皮秒激光技术不仅在实验室中展现了极大的研究价值，还具备了向工业化推广的潜力。通过与先进制造技术和智能控制系统的结合，这项技术将推动储能设备的定制化研发，并为更大规模的应用铺平道路。然而，其在广泛应用中仍面临设备成本、加工效率和规模化一致性等挑战，这些问题的解决需要持续的跨学科协作和技术创新。值得一提的是，锌离子电池凭借其高容量、低成本和环境友好的特性，在电网调节、分布式储能以及可再生能源并网等实际应用场景中具有广阔的前景，而皮秒激光技术的应用显著提升了锌离子电池的寿命、效率和安全性，为其在储能市场中占据更重要位置提供了强有力的支持。

总之，皮秒激光技术在锌离子电池性能提升中的成功应用，不仅是一项重要的技术突破，也为实现绿色、可持续能源存储提供了全新助力。随着激光加工技术与电化学材料设计的深度融合，这一领域有望持续取得创新成果，并推动储能技术向更高效、更可靠的方向发展。

来源：ACT激光聚汇

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