本文由Yanyi Zhang、Xinxin Yang、Yixuan Hu、Kailong Hu、Xi Lin、Xingjun Liu、Kolan Madhav Reddy、Guoqiang Xie和Hua-Jun Qiu等作者共同完成，主要研究机构包括哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院、上海交通大学材料科学与工程学院前沿材料结构研究中心以及深圳铝基水解氢材料研发中心。该研究于2022年发表在《Small》期刊上，文章标题为“Highly Strengthened and Toughened Zn–Li–Mn Alloys as Long-Cycling Life and Dendrite-Free Zn Anode for Aqueous Zinc-Ion Batteries”。
近年来，水系锌离子电池（Zinc-Ion Batteries, ZIBs）因其低成本、无毒、不易燃等特性成为研究热点。然而，锌负极在循环过程中容易形成枝晶（dendrite）和副反应，导致电池性能下降，限制了其实际应用。为了解决这一问题，研究人员提出了多种策略，如优化电解液配方、设计添加剂、构建多级锌微结构等。然而，这些方法往往复杂且难以大规模应用。因此，开发一种既能抑制锌枝晶生长，又能保持电池低成本和安全性的新型锌负极材料具有重要意义。
本研究旨在通过合金化策略，开发一种新型的Zn-Li-Mn三元合金，以抑制锌负极的枝晶生长和副反应，提升锌离子电池的循环寿命和电化学性能。同时，研究还探讨了该合金的机械性能，为其在电池中的应用提供更多可能性。
材料制备与表征
研究首先通过合金化方法制备了Zn-0.4Li-xMn（x = 0.2, 1.0）合金，并与商业纯锌进行了对比。通过X射线衍射（XRD）分析，发现合金的主要峰对应于六方密排（HCP）锌相，且峰位负移表明Li和Mn的加入增加了晶面间距，形成了锌基固溶体。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）结合能谱分析（EDS）进一步证实了合金的均匀性和双相结构（HCP和FCC相）。
电化学性能测试
研究采用对称电池测试了Zn-Li-Mn合金的锌剥离/沉积行为。结果表明，Zn-0.4Li-1.0Mn合金在1 mA cm⁻²的电流密度下表现出极低的过电位（30 mV），远优于纯锌（102 mV）。此外，该合金在1000小时的循环测试中表现出优异的稳定性，且在高电流密度下仍能保持较低的极化和稳定的电压。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，Zn-0.4Li-1.0Mn合金的电荷转移电阻（Rct）显著低于纯锌，表明其具有更快的电化学动力学和更高的电子导电性。
全电池性能测试
研究进一步组装了Zn-Li-Mn/MnO₂全电池，测试其电化学性能。结果表明，Zn-0.4Li-1.0Mn/MnO₂全电池在1 C的电流密度下表现出高达250 mAh g⁻¹的比容量，且在400次循环后容量保持率高达96%。相比之下，纯锌/MnO₂电池在100次循环后容量迅速衰减。此外，Zn-Li-Mn合金在高电流密度下仍能保持较高的比容量，显示出优异的倍率性能。
机械性能测试
研究还对Zn-Li-Mn合金进行了拉伸测试，结果显示其屈服强度和极限抗拉强度分别为238.4 MPa和284.4 MPa，显著高于纯锌（104.2 MPa和149.9 MPa）。此外，合金的延伸率也高于纯锌，表明其不仅具有高强度，还具有优异的韧性。
枝晶抑制机制
研究发现，Li和Mn的加入能够通过静电屏蔽机制抑制Zn²⁺的横向扩散，从而均匀化锌的沉积过程，避免枝晶的形成。此外，Li和Mn优先与电解液中的O₂反应，生成Li⁺和Mn⁴⁺离子，进一步抑制了锌的副反应和钝化现象。
电化学性能提升
Zn-Li-Mn合金在对称电池和全电池中均表现出优异的电化学性能。其低过电位、高循环稳定性和优异的倍率性能表明，该合金是一种极具潜力的锌负极材料。
机械性能增强
与纯锌相比，Zn-Li-Mn合金具有更高的强度和韧性，这为其在电池中的长期应用提供了保障。
本研究通过合金化策略成功开发了一种新型的Zn-Li-Mn三元合金，有效抑制了锌负极的枝晶生长和副反应，显著提升了锌离子电池的循环寿命和电化学性能。该合金不仅具有优异的电化学性能，还表现出显著的机械性能增强，为其在电池中的应用提供了更多可能性。此外，该研究为低成本、高安全性的锌离子电池的开发提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。
研究还通过X射线光电子能谱（XPS）和塔菲尔曲线（Tafel plots）分析了合金的表面化学状态和腐蚀行为，进一步验证了其化学稳定性和电化学性能的优越性。此外，研究还提供了详细的实验数据和表征结果，为后续研究提供了重要参考。