文章摘要
可充电水系锌离子电池具有高能量密度、低氧化还原电位、低成本和安全的长处；但其循环性能严峻不敷，制约了该领域的研究进展。在此，山东大学李玉良院士&薛玉瑞传授团队提出了石墨烯原子电极的新概念。通过在电镀初期选择性地、均匀地、稳定地将Zn原子锚定在GDY上，合成了这种新型电极。Zn原子被诱导生长成更大尺寸的Zn团簇，并继续生长成纳米平面。末了，纵然在高电流密度下，在没有任何Zn枝晶和副反应的情况下，在GDY上形成了一个新的异质结界面。这种循规蹈矩的生长诱导极大地抑制了Zn枝晶的形成，从而使AZIB具有较高的电镀/剥离可逆性和寿命。
图文速递
<hr>图1
(a)Zn/GDY AEs的合成策略和可逆电镀/剥离工艺表示图。(b)沉积后Zn/GDY AEs的截面图像和元素映射图像。
<hr>图2
(a, d)GDY胶片的TEM图像。(b, e)GDY的HRTEM放大图像。(c, f)晶态GDY对应的SAED图样。模拟的(g, h)SAED模式和HRTEM图像。(i)合成GDY的ABC堆叠方式。
<hr>图3
(a-d)10 mA cm-2电流密度下电镀1 s后的HRTEM图像。(e-h)10 mA cm-2电流密度下电镀2 s后的HRTEM图像。(i, j)在10 mA cm-2电流密度下，电镀5 s后电极的HRTEM图像。(k, l)在10 mA cm-2电流密度下，电镀360 s后的HRTEM图像。
<hr>图4
在电流密度为10 mA cm-2的条件下，(a, b)60 s，(c, d)充电至0.2 V，(e, f)充电至0.6 V，(g, h)充电至1 V，剥离后电极的低、高倍HAADF-STEM图像。(i, j)电镀和剥离过程中记载的高分辨率C 1s XPS谱。(k, l)电镀和剥离过程中记载的高分辨率Zn 2p XPS谱。(m)深度剖面实行中测量的Zn/GDY电极Zn 2p XPS谱集。(n)Zn/GDY电极在镀锌和剥锌过程中的原位拉曼光谱和(o)XRD谱图。
<hr>图5
(a, b)纯锌箔和(c, d)Zn/GDY电极的光学和SEM图像。(e-g)纯锌和Zn/GDY镀锌工艺表示图。(h, i)纯Zn和(j, k)Zn/GDY电极在组装的对称电池中连续循环10次和500次后的SEM图像。(l, m)在容量为1 mAh cm-2时，使用裸Zn和Zn/GDY电极的对称电池在10 mA和30 mA cm-2时的电压分布。(n)循环性能与报告数据的比较。
研究结论
综上所述，研究职员有提出了一种新的可逆诱导金属纳米结构生长的方法，首次实现了在材料外貌从金属原子生长到大面积有序结构异质结界面的四步诱导生长。逐步诱导锌-金属界面生长为高度可逆的枝状自由水系电池的策略是在电镀开始时选择性、均匀、稳定地将Zn原子锚定在sp和sp2-共杂化石墨烯(Zn/GDY)上，然后在GDY外貌诱导生长较大尺寸的金属簇。这些锌簇在GDY外貌继续生长成纳米平面结构。末了，纵然在高电流密度下，GDY也能在没有任何Zn枝晶和副反应的情况下形成新的异质结界面。具体的形态学和结构表征效果表明，这种逐步诱导生长的方法极大地抑制了锌枝晶的形成，从而进步了AZIB的电镀/剥离可逆性和寿命。效果表明，Zn2+的沉积动力学较快(成核电位仅为59.6 mV，裸Zn为211.5 mV)，解溶剂化能耗较低(44.99 kJ mol-1vs. 57.89 kJ mol-1)，抑制析氢和腐蚀。组装的对称电池在10.0 mA cm-2电流密度下实现了16000次以上的长时间稳定性，在30.0 mA cm-2电流密度下实现了3800次以上的长时间稳定性。通过这种界面工程策略，研究职员盼望基于GDY的掩护层能够促进锌基电池的大规模应用，并解决雷同体系的动力学迟滞问题。
文献链接
Step by Step Induced Growth of Zinc-Metal Interface on Graphdiyne for Aqueous Zinc-Ion Batteries
Xiaoyu Luan，Lu Qi，Zhiqiang Zheng，Yaqi Gao，Yurui Xue*，Yuliang Li*
https://doi.org/10.1002/anie.202215968 |
