隨著人們對可穿戴和便攜式電子產(chǎn)品的需求快速增長推動了柔性鋅離子電池 (ZIB) 的發(fā)展。然而，枝晶生長和鋅金屬陽極柔韌性低的問題仍然阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。在此，提出了在碳布上原位生長三維氮摻雜垂直石墨烯納米片(N-VG@CC)，以實(shí)現(xiàn)均勻的鋅成核，從而獲得無枝晶且堅(jiān)固的鋅陽極。如密度泛函理論計(jì)算所證實(shí)的，N-VG中引入的含鋅基團(tuán)通過增強(qiáng)鋅離子與碳襯底之間的相互作用有效地降低了Zn核的成核過電位，從而實(shí)現(xiàn)了Zn核的均勻分布。此外，三維納米片陣列可以使電分布均勻，優(yōu)化了后續(xù)的Zn沉積過程，實(shí)現(xiàn)了高度可逆的Zn電鍍/剝離過程。因此，與 Zn@CC 相比，所制備的 Zn@N-VG@CC 陽極表現(xiàn)出更好的整體電化學(xué)性能。作為概念驗(yàn)證應(yīng)用，高性能 Zn@N-VG@CC 電極與 MnO
2@N-VG@CC（沉積在N-VG@CC）作為陰極。更重要的是，柔性 ZIB 表現(xiàn)出令人印象深刻的循環(huán)穩(wěn)定性，300 次循環(huán)后容量保持率為 80%，并具有出色的機(jī)械柔韌性，表明在便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品方面具有廣闊的潛力。
Figure 1. N-VG@CC和Zn@N-VG@CC的制備和表征。（a）制備N-VG@CC和Zn@N-VG@CC電極的示意圖。（b，c）N-VG@CC不同放大倍數(shù)的SEM圖。（d）Zn@N-VG@CC的SEM圖。（e）N-VG@CC和Zn@N-VG@CC的XRD圖。Zn@N-VG復(fù)合材料的（f）TEM和（g）EDX映射。(f)的插圖顯示了電沉積Zn的HRTEM圖。
Figure 2. N-VG對Zn沉積的影響。（a）CC和N-VG@CC電極上的Zn沉積示意圖。（b）N-VG的XPS譜。（c）N-VG的N 1s高分辨率XPS譜。（d）具有吡啶 N (pnN)、吡咯N (prN)、邊緣上的四元N (qN)和體相中的四元N(qnN)的N-VG 的示意圖。（e）Zn 原子與石墨烯(G)和不同N官能團(tuán)的結(jié)合能。吸附在（f）G和 （g）N-VG上的Zn
2+的電荷密度差異（黃色和淺藍(lán)色區(qū)域分別代表正負(fù)電荷差異）。
Figure 3. CC和N-VG@CC電極上鋅鍍層/剝離行為的探索。（a）不同電流密度下的Zn成核過電位。（b）N-VG@CC//Zn和CC//Zn 電池在 5 mA cm
-2 下電鍍/剝離鋅的電導(dǎo)率CE，容量為2 mAh cm
-2。（c）N-VG@CC和（d）CC在2mA cm
-2下鍍Zn 后的SEM圖，容量為2 mAh cm
-2。（e）N-VG@CC和（f）CC在5 mA cm
-2下鍍 Zn后的SEM圖，容量為5 mAh cm
-2。（g）Zn@CC電極和（h）Zn@N-VG@CC 電極在Zn核形成后的電場分布模型。
Figure 4. Zn@CC和Zn@N-VG@CC電極的穩(wěn)定性測試。Zn@CC和Zn@N-VG@CC對稱電池在（a）0.5 mA cm
−2容量為0.5 mAh cm
−2 和（b）1 mA cm
−2 容量為1.0 mAh cm
−2時的電壓分布。（c）Zn@CC和Zn@N-VG@CC對稱電池在 0.5至2.0 mA cm
-2 的電流密度下的倍率性能。（d）Zn@CC和（e）Zn@N-VG@CC對稱電池在不同電流密度下的電壓分布。
Figure 5. 硬幣ZIBs的電化學(xué)性能。（a）CV，（b）GCD，（c）EIS，（d）循環(huán)穩(wěn)定性和（e）基于Zn@CC和Zn@N-VG@CC陽極的硬幣ZIBs的倍率性能的比較。
Figure 6. 以PVA/Zn(CF
3SO
3)
2為凝膠電解質(zhì)的柔性準(zhǔn)固態(tài)ZIB的電化學(xué)性能。（a）柔性準(zhǔn)固態(tài)ZIB的原理結(jié)構(gòu)。（b）PVA/Zn(CF
3SO
3)
2凝膠電解質(zhì)和2 M ZnSO4水溶液(1.0 A g
−1)中ZIB的GCD曲線比較。（c）準(zhǔn)固態(tài)ZIB在不同電流密度下的GCD曲線。（d）準(zhǔn)固態(tài)ZIB的循環(huán)性能和電導(dǎo)率CEs。（e）準(zhǔn)固態(tài)ZIB與其他報道的儲能裝置的Ragone圖。（f）準(zhǔn)固態(tài)ZIB在不同變形狀態(tài)下的容量保持率。（g-j）兩個準(zhǔn)固態(tài)ZIB串聯(lián)的柔性演示。
相關(guān)研究成果由西北工業(yè)大學(xué)Cao Guan課題組和新加坡國立大學(xué)Zhenghui Pan課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》（https://doi.org/10.1002/adfm.202103922）上。原文：Regulating Dendrite-Free Zinc Deposition by 3D Zincopilic Nitrogen-Doped Vertical Graphene for High-Performance Flexible Zn-Ion Batteries。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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