一、引言

近年來，水系鋅基電池（AZBs）因其高理論能量密度、本征安全性和低成本等優點，受到了廣泛關注。然而，金屬鋅負極在水溶液中的熱力學穩定性和電化學動力學問題一直是制約其實際應用的關鍵因素。為了解決這些問題，研究者們不斷探索新的策略，其中，通過優化異金屬界面以提高鋅負極的性能成為了一個重要的研究方向。

在探討異金屬界面鋅基水電池（AZBs）的熱力學慣性與動力學指標時，紅外熱成像技術作為一種先進的非接觸式溫度測量手段，為研究者們提供了獨特的視角和有力的工具。以下將詳細介紹紅外熱成像技術在這一領域的應用。

二、實驗過程

通過FOTRIC科研熱成像儀，規格:Fotric 618C-L29紅外熱像儀可以實時監測材料表面溫度變化，可生成溫升曲線。評估材料的導熱率。

Fotric 618C科研熱像儀套裝工作示意圖

Fotric 618C紅外熱像儀結果表明，在100次循環前后，Bi@Zn負極的溫度分布比裸Zn負極更加均勻，冷卻效率更快，這可以歸因于Bi@Zn負極的熱傳遞增強，可以減小熱梯度，避免電極表面局部高溫，從而保證電流分布均勻和Zn沉積均勻。3D共聚焦激光掃描顯微鏡顯示，循環前裸Zn和Bi@Zn負極表面光滑，高度可以忽略不計。但是，循環100次后裸Zn呈現出較大的Zn枝晶，這是由于Zn表面的成核位點數量有限，潤濕性較差，導致Zn2+和電荷的持續積累，從而誘導Zn沉積不均勻。相反，Bi@Zn負極表面相對光滑致密，這是由于Zn表面潤濕性增強，表面親鋅性好，熱導率提高，促進均勻的鋅成核和沉積。原位光學顯微鏡證明Zn負極在沉積過程中沉積層不均勻，而Bi@Zn負極在整個電沉積過程中沉積均勻和致密，進一步證明了Bi@Zn負極優異的熱導率可以減小熱梯度，避免表面局部高溫，從而可以保證電荷均勻和Zn2+分布均勻，從而實現均勻致密的Zn沉積。

圖：原位熱成像和光學顯微演變分析。(a) 裸Zn和(b) Bi@Zn負極100次循環后的紅外熱成像圖像。(c) 裸Zn和(d) Bi@Zn負極循環前和循環100次后的3D CLSM圖像。自制透明對稱電池中(e)裸Zn和(f) Bi@Zn負極鋅沉積的原位光學顯微鏡圖像。

本文以題為：Prioritizing Hetero-Metallic Interfaces via Thermodynamics Inertia and Kinetics Zincophilia Metrics for Tough Zn-based Aqueous Batteries在Advanced Materials上發表。第一作者為趙瑞正博士，通訊作者為復旦大學晁棟梁教授。

三、結論應用前景

在鋅基水電池中，異金屬界面的熱力學穩定性是影響電池性能的關鍵因素之一。紅外熱成像技術可以實時監測電池在充放電過程中的溫度變化，幫助研究者評估異金屬界面的熱力學慣性。具體來說，通過紅外熱像圖，可以觀察到電池在不同充放電階段下溫度的變化趨勢和分布規律，從而判斷異金屬界面是否具有良好的熱穩定性。

針對金屬鋅負極在水溶液中的熱力學穩定性差和動力學緩慢等問題，優化不同的異質金屬和合成溶劑，理論模擬和實驗結果表明，由于熱力學惰性和動力學親鋅性，Bi@Zn負極可以表現出更高效率。與純鋅負極相比，從熱力學角度，Bi@Zn界面極大地抑制了副反應。結合理論計算模擬和原位/非原位表征，具有熱力學惰性和動力學親鋅性的Bi@Zn界面在10 mA cm?2下展示了55 mV的低過電位和4700次循環壽命，顯著優于其他候選金屬界面。這一發現為高性能水系鋅離子電池的開發提供了新的思路和方法。

論文連接：https://doi.org/10.1002/adma.202209288

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