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中南侯紅帥Nano Energy：石墨烯量子點(diǎn)使無(wú)枝晶鋅離子電池成為可能

水系鋅離子電池（ZIBs）的實(shí)際應(yīng)用在很大程度上受到鋅負(fù)極可逆性差的困擾，主要與枝晶生長(zhǎng)和界面寄生反應(yīng)有關(guān)。

中南大學(xué)侯紅帥等通過(guò)引入親水性石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）調(diào)控成核過(guò)程，成功設(shè)計(jì)了電化學(xué)穩(wěn)定的鋅負(fù)極。

圖1 理論計(jì)算及抑制枝晶生長(zhǎng)的效果示意圖

值得注意的是，GQDs與Zn²⁺的增強(qiáng)結(jié)合效應(yīng)是由GQDs的較低電負(fù)性引起的，這有利于加速均勻的Zn沉積，從而產(chǎn)生沒(méi)有枝晶的堅(jiān)固鋅負(fù)極。同時(shí)，含氧基團(tuán)的GQDs激發(fā)了界面氫鍵，這有利于減輕水誘導(dǎo)的副反應(yīng)，并改善Zn²⁺反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

圖2 Zn對(duì)稱(chēng)電池循環(huán)后的形貌表征

因此，當(dāng)將 GQDs (0.4 g L^-1) 添加到電解液中時(shí)，鋅負(fù)極在0.8 mA cm^-2下表現(xiàn)出長(zhǎng)達(dá)2200小時(shí)的長(zhǎng)期循環(huán)壽命和50 mV的較低極化電壓，并且鋅負(fù)極表面光滑。

此外，由Na_xV₂O₅?nH₂O (NVO)、鋅金屬和具有GQDs的電解液組裝的ZIBs表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，在1 A g^-1的電流密度下循環(huán)600次后，可逆比容量仍可保164.3 mAh g^-1，遠(yuǎn)高于沒(méi)有GQDs的對(duì)比樣品(61.2 mAh g^-1)。

這項(xiàng)工作提出了一種簡(jiǎn)單有效的策略來(lái)抑制弱酸性電解液中水系ZIBs的鋅枝晶形成和生長(zhǎng)，這可能會(huì)促進(jìn)水系ZIBs和石墨烯量子點(diǎn)的發(fā)展。

圖3 Zn||NVO電池性能

Graphene Quantum Dots Enable Dendrite-free Zinc Ion Battery. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106752

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