西工大《AFM》：石墨烯，助力高性能柔性锌离子电池！

随着人们对可穿戴电子产品和便携式电子产品需求的增加，设计具有高安全性、优异的电化学性能和机械柔韧性的柔性储能装置迫在眉睫。水充电电池，特别是柔性准固态锌离子电池(ZIB)，由于使用金属锌负极具有高理论重量和体积容量、低氧化还原电位(−0.76V)等显著优点而被广泛认为是最有前途的储能装置。然而，枝晶生长和锌金属阳极柔韧性低的问题仍然阻碍了它的实际应用。

 

来自西北工业大学等单位的研究人员，提出了在碳布(N-VG@CC)上原位生长三维掺氮垂直石墨烯纳米片(N-VG@CC)，以实现均匀的锌成核，从而获得无枝晶和坚固的锌阳极。密度泛函理论计算表明，N-VG中引入的含锌基团通过增强Zn²⁺离子与碳衬底的相互作用，有效地降低了Zn核的成核过电位，从而实现了Zn核的均匀分布。此外，三维纳米片阵列可以使电场分布均匀，优化了后续的镀锌工艺，实现了高度可逆的镀锌/剥离工艺。因此，与Zn@CC相比，所制备的Zn@N-VG@CC阳极具有更好的整体电化学性能。作为概念验证的应用，高性能的Zn@N-VG@CC电极被成功地用作硬币和柔性准固态ZIB的阳极，MnO₂@N-VG@CC(在N-VG@CC上沉积MnO₂纳米片)作为阴极。更重要的是，灵活的ZIB表现出令人印象深刻的循环稳定性，300次循环后容量保持80%，以及出色的机械灵活性，这表明它在便携式和可穿戴电子产品方面具有广阔的潜力。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202103922

图1.N-VG@CC和Zn@N-VG@CC的制备和表征

 

图2.N-VG对Zn沉积的电子效应 

 

图3.CC和N-VG@CC电极上镀锌/剥离行为的探索

 

图4.Zn@CC和Zn@N-VG@CC电极的稳定性试验

 

图5.以PVA/Zn(CF₃SO₃)₂为凝胶电解质的柔性准固态ZIB的电化学性能

综上所述，本文在连续衬底上原位生长了N-VG纳米片，并将其用作3D镀锌/剥离SCA型阳极，实现了枝晶结构和高性能的Zn@N-VG@CC阳极。首次用密度泛函理论计算表明，N-VG中含较高亲锌量的N原子可以增加Zn²⁺离子与碳基体之间的相互作用力，从而有利于Zn的均匀成核。结果表明，N-VG中含锌量较高的N原子增加了Zn²⁺与碳基体之间的相互作用力。然后，N-VG@CC//Zn不对称电池的实验结果表明，N-VG纳米片阵列的存在不仅可以有效地降低CC表面的Zn成核过电位，而且可以提高镀锌/剥离过程中的电导率(CE)。组装后的柔性准固态ZIB具有良好的电化学性能，300次循环后容量保持率可达80%，并具有优异的机械柔韧性，在便携式和可穿戴电子产品方面具有广阔的应用前景。本工作为通过对高柔韧性衬底的改性实现无枝晶锌阳极提供了一种客观可行的策略，为柔性ZIB的发展开辟了新的方向。（文：SSC）