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水系鋅離子電池的金屬鋅負(fù)極存在不可控的枝晶生長和副反應(yīng)問題，導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差，特別是在高倍率和高容量時(shí)尤為嚴(yán)重。

在此，南方科技大學(xué)曾林教授、趙天壽院士等人開發(fā)了兩種三維分層石墨烯，由氮摻雜石墨烯納米纖維團(tuán)簇組成，錨定在改性多通道碳的垂直石墨烯陣列上。擁有徑向碳通道的石墨烯基體具有高的比表面積和孔隙率，其可以有效地減小表面局部電流密度，操縱Zn²⁺離子濃度梯度，均勻化電場分布，調(diào)節(jié)Zn沉積。

?南科大Nat. Commun.：3D分層石墨烯基質(zhì)為水系鋅電池提供穩(wěn)定的鋅負(fù)極

圖1. 結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征

總之，該工作利用獨(dú)立的、親鋅的3D分層石墨烯：包括n摻雜GF簇，VGS和多通道碳來構(gòu)建具有高性能和穩(wěn)定的Zn復(fù)合負(fù)極。通過一步熱CVD工藝合成的3D-RFGC基質(zhì)具有高表面積、均勻孔隙率，有效減輕局部電流密度，降低Zn²⁺離子濃度梯度，保證電場分布均勻，調(diào)節(jié)Zn沉積。對具有豐富親鋅位點(diǎn)的垂直石墨烯 (VGs)和石墨烯納米纖維團(tuán)族(GFs)進(jìn)行表面改性，可實(shí)現(xiàn)具有高電流密度和高表面積容量的高性能鋅金屬負(fù)極。

因此，該工程3D-RFGC@Zn負(fù)極在120mAcm^-2的高電流密度下，在3000次循環(huán)后仍保持99.67%的CE和較低的過電位，采用3D-RFGC@Zn負(fù)極的對稱電池在7200次循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。因此，這種采用3D石墨烯基質(zhì)作為鋅負(fù)極的策略為開發(fā)能夠在高倍率、高容量和高放電深度條件下工作的金屬負(fù)極提供了一個(gè)有希望的途徑。

圖2. 3D-RFGC@Zn負(fù)極組裝全電池和電容器的電化學(xué)性能

3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries, Nature Communications 2023 DOI:10.1038/s41467-023-39947-8

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