共聚焦显微镜揭示：锌负极表面结构制造及在锌离子电池中的应用研究-电子发烧友网

水系锌离子电池（ZIBs）因成本低、安全性高、环境友好等优势，成为极具潜力的新型电化学储能装置，但锌负极的枝晶生长、腐蚀等问题严重制约其发展。精准解析锌负极表面结构对优化其性能至关重要，共聚焦显微镜作为高端光学精密测量技术的核心设备，为表征锌负极表面三维成像提供了关键支撑。光子湾科技共聚焦显微镜可精准捕捉表面结构细节，助力深入探究结构与性能的关联，为锌离子电池性能提升奠定基础。

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研究背景

锌负极的枝晶、析氢和钝化示意图

金属锌储量大、体积容量高，但锌枝晶、腐蚀等问题导致电池容量与库伦效率下降。水系锌离子电池由正负极、电解液和隔膜构成，工作原理涉及锌离子嵌入/ 脱出等机制。锌负极面临的核心问题包括：枝晶生长导致短路，析氢与腐蚀引发副产物生成及电池寿命衰减。本研究旨在通过退火热处理与激光加工优化锌负极表面结构，提升电池性能。

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锌负极制造工艺及测试表征

实验材料包括锌箔、V?O?、ZnSO?电解液等，仪器涵盖电测试系统、电化学工作站及共聚焦显微镜等。

锌/ 氧化锌复合负极采用退火热处理制造，通过控制加热温度、升温速度和保温时间形成复合层；激光选择性氧化锌负极表面结构采用纳秒激光加工，调控扫描线间距、功率等参数制造特定形貌。

材料表征中，扫描电子显微镜（SEM）观测表面形貌，X 射线衍射（XRD）与 X 射线光电子能谱（XPS）分析物相成分，共聚焦显微镜精准测量表面凹槽深度、宽度等关键参数；电化学性能测试包括充放电循环、倍率性能及塔菲尔曲线等。

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锌 / 氧化锌复合负极制造工艺及电池性能研究

退火热处理得到的锌负极的X射线衍射谱

退火热处理参数优化显示：加热温度260℃、升温速度 2℃?min??、保温时间 0.5 h 时性能最优。XRD 与 XPS 证实表面形成氧化锌层，塔菲尔曲线表明其腐蚀电流更小（0.00022 A），耐腐蚀性优于裸锌。

对称电池测试中，该复合负极过电位仅25 mV，循环稳定性显著提升；全电池峰值比容量约240 mAh?g??，1000 次循环后容量保持率更高，倍率性能优于裸锌负极。

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激光选择性氧化锌负极表面结构制造研究

共聚焦显微镜扫描激光加工锌表面三维轮廓

激光加工参数优化表明：平行线填充、扫描线间距 0.1 mm、功率 10 kW、加工 10 次时，表面形成双层凹槽结构（主凹槽深 120-140 μm，副凹槽深 25-40 μm），共聚焦显微镜清晰捕捉该结构细节。

COMSOL 模拟显示，凹槽处离子通量与电流密度更高，锌优先在凹槽内沉积；SEM 与电镀测试验证了这一机制，抑制枝晶生长。该结构电解液接触角仅25°，润湿性优异，塔菲尔曲线显示其腐蚀电流 0.00035 A，耐腐蚀性更佳。

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激光选择性氧化锌负极表面结构在电池中的应用研究

扣式对称电池在1 mA?cm?? 下循环超 1500 h，过电位＜20 mV，大电流（20 mA?cm??）下循环稳定性仍优于裸锌；全电池峰值比容量达275 mAh?g??，1800 次循环库伦效率超 95%。软包电池测试中，对称电池过电位约 24 mV，全电池峰值比容量 227 mAh?g??，循环 1100 次后性能稳定，与纽扣电池规律一致，验证了实际应用潜力。

退火热处理形成的锌/ 氧化锌复合负极与激光制造的选择性氧化锌结构，均能有效抑制枝晶与腐蚀，提升电池性能。共聚焦显微镜等精密测量技术为解析结构- 性能关联提供了关键数据支撑。未来可结合更高精度激光加工与多元界面修饰，进一步优化锌负极性能。光子湾科技的共聚焦显微镜等技术将持续助力微观结构解析，推动锌离子电池产业化进程。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。