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水系鋅化學(xué)具有本質(zhì)安全性，但存在嚴(yán)重的不可逆性，例如低庫侖效率、持續(xù)耗水和枝晶生長，這阻礙了可充鋅電池的實(shí)際應(yīng)用。

阿爾伯塔大學(xué)李智教授等人報(bào)告了一種高度可逆的水系鋅電池，其中石墨氮化碳量子點(diǎn)添加劑充當(dāng)快速膠體離子載體，并有助于構(gòu)建動(dòng)態(tài)和自我修復(fù)的保護(hù)界面。

李智Nature子刊：動(dòng)態(tài)自修復(fù)SEI實(shí)現(xiàn)高可逆水系鋅電池

圖1. ZnSO4-C₃N₄ QDs電解液的結(jié)構(gòu)表征

作為電解液添加劑的石墨氮化碳量子點(diǎn)(C₃N₄QDs)是納米片狀的，本質(zhì)上具有許多周期性的共面親鋅孔，可作為快速膠體載體，賦予高Zn²⁺電導(dǎo)率和遷移數(shù)，并有效調(diào)節(jié)更均勻的Zn²⁺離子通量。相應(yīng)地，通過與C₃N₄QDs的相互作用優(yōu)化了Zn²⁺溶劑化結(jié)構(gòu)，最大限度地減少了初始沉積過程中Zn成核的不均勻性。

此外，由沉積的C₃N₄QDs納米片組成的原位構(gòu)建的界面層將形成的Zn金屬與反應(yīng)性水分離，同時(shí)保持用于離子篩分的孔開放，以實(shí)現(xiàn)無水的單一Zn²⁺離子傳導(dǎo)。值得注意的是，這些界面C₃N₄QDs通過庫侖力與金屬表面結(jié)合，但在電位反轉(zhuǎn)時(shí)重新分散到電解液中，在每個(gè)電池循環(huán)中顯示出動(dòng)態(tài)再生。因此，不消耗C₃N₄QDs組件，這可持續(xù)地保證了相間的保形完整性。

圖2. 半電池性能

作為概念驗(yàn)證，在具有C₃N₄QDs的ZnSO₄水系電解液中，Zn金屬提供了令人印象深刻的沉積/剝離CE至 99.7%（在2?mA?cm^-2、1?mAh?cm^-2下超過200次循環(huán)）和高達(dá)至1200?h（在1?mA?cm^-2, 1?mAh?cm^-2）的長期穩(wěn)定性。

此外，動(dòng)態(tài)氮化碳SEI沉積技術(shù)為水系鋅電池帶來了前所未有的可逆性，最終在Zn?|?|MnO₂、Zn?|?|V₂O₅和Zn?|?|VOPO₄全電池中得到了驗(yàn)證。作者相信，由功能性膠體構(gòu)建塊構(gòu)建的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)重構(gòu)SEI的概念可以擴(kuò)展到其他經(jīng)常受到可逆性差和動(dòng)力學(xué)緩慢困擾的多價(jià)離子電池。

圖3. 全電池性能

Self-repairing interphase reconstructed in each cycle for highly reversible aqueous zinc batteries. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-32955-0

原創(chuàng)文章，作者：華算老司機(jī)，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2022/09/27/f9b02bfc8d/

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