NC:自支撑/超轻/亲锌3D分层石墨烯/碳管阵列助力高能水系锌电池

水性锌离子电池的金属锌阳极存在严重的枝晶和副反应问题，导致循环稳定性差，特别是在高倍率和高容量时。在此，我们开发了两种三维分层石墨烯矩阵，由氮掺杂石墨烯纳米纤维团簇组成，锚定在改性多通道碳的垂直石墨烯阵列上。具有径向碳通道的石墨烯基体具有高的比表面积和孔隙率，可以有效地减小表面局部电流密度，操纵Zn2+离子浓度梯度，均匀化电场分布，调节Zn沉积。结果表明，在120 mA cm – 2下，复合锌阳极的对称电池在80 mA cm – 2和80 mAh cm – 2下的无枝晶循环时间为2600 h，在3000次循环中达到99.67%的优异库仑效率。设计的全电池显示出16.91 mAh cm−2的令人鼓舞的容量。与活性炭匹配的Zn电容器在40 mA cm−2下具有优异的长期循环性能，可达到20000次循环。这种构建锌阳极三维分层结构的策略可能为金属阳极在高速率和高容量下工作开辟了新的途径。

图文简介

以稳定锌阳极为目标的三维层次结构石墨烯矩阵设计示意图。锌沉积在一个裸露的Zn, b三维石墨烯基体纵向(3D- lfgc)， c径向(3D- rfgc)。

3D-LFGC和3D-RFGC材料的结构和形态表征SEM图像b, c 3D-LFGC矩阵，d VGs, e GFs, f 3D-RFGC矩阵，g GFs图像。在三维碳通道上生长的GFs和VGs的TEM图像(插图为SAED图像，1个VGs, j个GFs, k个石墨烯纳米片的高分辨率TEM图像，以及每个GFs的相应元素映射)。3D-RFGC矩阵的x射线衍射、拉曼光谱和拉曼映射。N 1s元素的高分辨率。q各种碳基体的BET数据;20 s内不同时间的r接触角和不同位置上原始石墨烯和n掺杂石墨烯的s结合能。

不同电极在Zn/3D-LFGC、Zn/3D-RFGC和Zn/Cu半电池中的电化学性能。

对称电池中不同锌阳极的电化学性能

锌沉积机理探讨，在40 mA cm−2的电流密度下，在a裸Zn阳极和b 3D-RFGC@Zn阳极上沉积Zn的现场观察。c裸Zn、d 3D-LFGC@Zn、e 3D-RFGC@Zn阳极循环200 h后LCSM图像;f-h对应的SEM图像。i描述各种锌阳极腐蚀的线性极化曲线。j不同循环下裸Zn, 3D-LFGC@Zn, 3D-RFGC@Zn的x射线衍射图谱。k 3D-RFGC@Zn阳极对称电池连续镀锌/剥离过程的原位EIS曲线。

电极-电解质界面的界面组分及输运动力学研究

3D-RFGC@Zn阳极在全电池和电容器中的电化学性能。

总之，我们提出了一种新的方法，利用自支撑，超轻，亲锌的3D分层石墨烯矩阵，包括n掺杂GF簇，VGs和多通道碳矩阵，来构建具有卓越速率和容量的高性能和稳定的Zn复合阳极。通过一步热CVD工艺合成的3D-RFGC基质具有高表面积、孔隙率和均匀的多孔结构，有效地降低了局部电流密度，降低了Zn2+离子浓度梯度，并确保了均匀的电场分布，以调节Zn沉积。对具有丰富亲锌位点的垂直石墨烯阵列(VGs)和石墨烯纳米纤维团簇(GFs)进行表面改性，可实现具有高电流密度和高表面积容量的高性能锌金属阳极。因此，在120 mA cm−2的高电流密度下，工程3D-RFGC@Zn阳极在3000次循环中表现出99.67%的显著CE和较低的过电位。采用3D-RFGC@Zn阳极的对称电池在7200次循环中表现出优异的稳定性，具有平坦的沉积和快速的动力学。尤其值得注意的是3D-RFGC@Zn阳极在电流密度为80毫安厘米−2时的优异性能，在2400小时内稳定地工作在80毫安厘米−2的超高容量下。此外，当加入到完整的电池中，如V2O5@3D-LC/3D-RFGC@Zn, MnO2@3D-LC/3D-RFGC@Zn和AC@3D-LC/3D-RFGC@Zn电容器中，这些3D石墨烯基质有助于优异的速率性能和显着提高的循环稳定性，因为它们能够促进均匀的锌沉积。这种采用3D石墨烯基质作为锌阳极的策略为开发能够在高倍率、高容量和高放电深度条件下工作的金属阳极提供了一条有前途的途径。