苏州大学孙靖宇课题组AS：纳米晶石墨烯皮肤助力稳定的锌金属负极

摘要：本工作报道了一种通过化学气相沉积技术在锌箔上直接生长的石墨烯皮肤。这种超薄（20 nm厚度）的“马赛克”状纳米晶烯肤具有较高的电导率，从而保证锌在其上表面沿(002)面取向沉积；同时，生长过程中原位掺入的氮/氧原子有利于锌离子的去溶剂化，加速反应动力学。

关键词：人工界面层, 取向沉积, 锌负极, Zn(002)，石墨烯皮肤

受益于低的氧化还原电位和高理论容量，锌金属已成为水系电池体系中的一种理想负极材料。然而不可控的枝晶、不利的析氢和有害的副产物均严重影响锌负极的稳定性。大量的基础研究发现稳定的负极/电解质界面是实现高度可逆锌负极的关键，其中的工作重点之一是人工界面层（AIL）的可控设计。锌负极在循环过程中会经历较大的体积变化，绝缘性AIL层迫使锌离子在其下方还原和沉积，因此机械强度低、附着力差的AIL层较容易脱落并失去保护作用；而导电AIL则可以使锌均匀沉积在其上表面。目前普遍报道的导电AIL厚度较大，有可能将影响整个体系的能量密度。尽管碳质材料质量轻、结构多样、可掺杂性好，但由碳质材料介导的锌沉积电化学至今仍不是很清晰。大多数报道的碳基AIL以涂覆方式修饰，使得锌负极难以在高电流密度和高锌利用率条件下实现稳定循环。因此设计一种能够在锌箔上保形生长的超薄碳基AIL非常必要。化学气相沉积策略能够在多种衬底上直接生长石墨烯，有望在锌表面形成共形AIL。然而由于锌金属的低熔点 (419.5 ℃)，这种涉及热处理的途径尚未系统探索。

基于以上考虑，本文采用PECVD技术实现了氮/氧共掺杂石墨烯皮肤（NOC层）在锌金属上的直接生长。锌的升华和碳的沉积之间取得了微妙的平衡，这使得NOC层具有不同的结晶性和导电性。超薄马赛克状纳米晶石墨烯层具有较优的保护性能，有利于无枝晶锌沉积。同时，NOC层增强了溶剂化Zn²⁺中水分子的吸附，从而促进去溶剂化过程。受益于这些特点，以NOC@Zn为负极的对称电池具有稳定的电化学性能，可以在1 mA cm^–2/1 mAh cm^–2下循环3040 h。特别地，由NOC@Zn负极和钒氧化物正极匹配组装的锌金属电池元件在高电流密度、低负/正极容量比(N/P比)等测试条件下均显示出较长的寿命。此项研究将为构建导电人工界面层助力实用化锌负极提供新思路。

论文信息：

Mosaic Nanocrystalline Graphene Skin Empowers Highly Reversible Zn Metal Anodes

Xianzhong Yang, Jiaze Lv, Cai Cheng, Zixiong Shi, Jun Peng, Ziyan Chen, Xueyu Lian, Weiping Li, Yuhan Zou, Yu Zhao, Mark H. Rümmeli, Shixue Dou, Jingyu Sun*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202206077