水系鋅離子電池（ZIBs）因成本低、安全性高、環境友好等優勢，成為極具潛力的新型電化學儲能裝置，但鋅負極的枝晶生長、腐蝕等問題嚴重制約其發展。精準解析鋅負極表面結構對優化其性能至關重要，共聚焦顯微鏡作為高端光學精密測量技術的核心設備，為表征鋅負極表面三維成像提供了關鍵支撐。光子灣科技共聚焦顯微鏡可精準捕捉表面結構細節，助力深入探究結構與性能的關聯，為鋅離子電池性能提升奠定基礎。

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研究背景

鋅負極的枝晶、析氫和鈍化示意圖

金屬鋅儲量大、體積容量高，但鋅枝晶、腐蝕等問題導致電池容量與庫倫效率下降。水系鋅離子電池由正負極、電解液和隔膜構成，工作原理涉及鋅離子嵌入/ 脫出等機制。鋅負極面臨的核心問題包括：枝晶生長導致短路，析氫與腐蝕引發副產物生成及電池壽命衰減。本研究旨在通過退火熱處理與激光加工優化鋅負極表面結構，提升電池性能。

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鋅負極制造工藝及測試表征

實驗材料包括鋅箔、V?O?、ZnSO?電解液等，儀器涵蓋電測試系統、電化學工作站及共聚焦顯微鏡等。

鋅/ 氧化鋅復合負極采用退火熱處理制造，通過控制加熱溫度、升溫速度和保溫時間形成復合層；激光選擇性氧化鋅負極表面結構采用納秒激光加工，調控掃描線間距、功率等參數制造特定形貌。

材料表征中，掃描電子顯微鏡（SEM）觀測表面形貌，X 射線衍射（XRD）與 X 射線光電子能譜（XPS）分析物相成分，共聚焦顯微鏡精準測量表面凹槽深度、寬度等關鍵參數；電化學性能測試包括充放電循環、倍率性能及塔菲爾曲線等。

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鋅 / 氧化鋅復合負極制造工藝及電池性能研究

退火熱處理得到的鋅負極的X射線衍射譜

退火熱處理參數優化顯示：加熱溫度260℃、升溫速度 2℃?min?1、保溫時間 0.5 h 時性能最優。XRD 與 XPS 證實表面形成氧化鋅層，塔菲爾曲線表明其腐蝕電流更小（0.00022 A），耐腐蝕性優于裸鋅。

對稱電池測試中，該復合負極過電位僅25 mV，循環穩定性顯著提升；全電池峰值比容量約240 mAh?g?1，1000 次循環后容量保持率更高，倍率性能優于裸鋅負極。

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激光選擇性氧化鋅負極表面結構制造研究

共聚焦顯微鏡掃描激光加工鋅表面三維輪廓

激光加工參數優化表明：平行線填充、掃描線間距 0.1 mm、功率 10 kW、加工 10 次時，表面形成雙層凹槽結構（主凹槽深 120-140 μm，副凹槽深 25-40 μm），共聚焦顯微鏡清晰捕捉該結構細節。

COMSOL 模擬顯示，凹槽處離子通量與電流密度更高，鋅優先在凹槽內沉積；SEM 與電鍍測試驗證了這一機制，抑制枝晶生長。該結構電解液接觸角僅25°，潤濕性優異，塔菲爾曲線顯示其腐蝕電流 0.00035 A，耐腐蝕性更佳。

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激光選擇性氧化鋅負極表面結構在電池中的應用研究

扣式對稱電池在1 mA?cm?2 下循環超 1500 h，過電位＜20 mV，大電流（20 mA?cm?2）下循環穩定性仍優于裸鋅；全電池峰值比容量達275 mAh?g?1，1800 次循環庫倫效率超 95%。軟包電池測試中，對稱電池過電位約 24 mV，全電池峰值比容量 227 mAh?g?1，循環 1100 次后性能穩定，與紐扣電池規律一致，驗證了實際應用潛力。

退火熱處理形成的鋅/ 氧化鋅復合負極與激光制造的選擇性氧化鋅結構，均能有效抑制枝晶與腐蝕，提升電池性能。共聚焦顯微鏡等精密測量技術為解析結構- 性能關聯提供了關鍵數據支撐。未來可結合更高精度激光加工與多元界面修飾，進一步優化鋅負極性能。光子灣科技的共聚焦顯微鏡等技術將持續助力微觀結構解析，推動鋅離子電池產業化進程。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準測量任務，提供值得信賴的高質量數據。

超寬視野范圍，高精細彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結構、頻率、功能等五大分析技術

采用針孔共聚焦光學系統，高穩定性結構設計

提供調整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數據處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為鋅負極表面結構制造及在鋅離子電池中的應用研究提供表征技術支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準把控，成為推動新能源領域技術升級的重要光學測量工具。

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感謝您本次的閱讀光子灣將持續為您奉上更多優質內容，與您共同進步。

原文參考：《鋅負極表面結構制造及在鋅離子電池中的應用研究》

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