Epitaxial Electrodeposition of Zinc on Different Single Crystal Copper Substrates for High Performance Aqueous Batteries

外延 材料科学 水溶液 单晶 纳米技术 冶金 化学 结晶学 物理化学 图层(电子)
作者
Xin Xiao,Louisa C. Greenburg,Yuqi Li,Menghao Yang,Yan‐Kai Tzeng,Chenxi Sui,Yucan Peng,Yecun Wu,Zewen Zhang,Xin Gao,Rong Xu,Yusheng Ye,Pu Zhang,Yufei Yang,Artūras Vailionis,Po‐Chun Hsu,Jian Qin,Yi Cui
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (4): 1305-1313 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c04535
摘要

The aqueous zinc metal battery holds great potential for large-scale energy storage due to its safety, low cost, and high theoretical capacity. However, challenges such as corrosion and dendritic growth necessitate controlled zinc deposition. This study employs epitaxy to achieve large-area, dense, and ultraflat zinc plating on textured copper foil. High-quality copper foils with Cu(100), Cu(110), and Cu(111) facets were prepared and systematically compared. The results show that Cu(111) is the most favorable for zinc deposition, offering the lowest nucleation overpotential, diffusion energy, and interfacial energy with a Coulombic efficiency (CE) of 99.93%. The study sets a record for flat-zinc areal loading at 20 mAh/cm2. These findings provide some clarity on the best-performing copper and zinc crystalline facets, with Cu(111)/Zn(0002) ranking the highest. Using a MnO2–Zn full cell model, the research achieved an exceptional cycle life of over 800 cycles in a cathode–anode-free battery configuration.
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