隨著人們對可穿戴和便攜式電子產品的需求快速增長推動了柔性鋅離子電池 (ZIB) 的發展。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際應用。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)，以實現均勻的鋅成核，從而獲得無枝晶且堅固的鋅陽極。如密度泛函理論計算所證實的，N-VG中引入的含鋅基團通過增強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，從而實現了Zn核的均勻分布。此外，三維納米片陣列可以使電分布均勻，優化了后續的Zn沉積過程，實現了高度可逆的Zn電鍍/剝離過程。因此，與 Zn@CC 相比，所制備的 Zn@N-VG@CC 陽極表現出更好的整體電化學性能。作為概念驗證應用，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 表現出令人印象深刻的循環穩定性，300 次循環后容量保持率為 80%，并具有出色的機械柔韌性，表明在便攜式和可穿戴電子產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官能團的結合能。吸附在（f）G和 （g）N-VG上的Zn
2+的電荷密度差異（黃色和淺藍色區域分別代表正負電荷差異）。
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的電化學性能。（a）CV，（b）GCD，（c）EIS，（d）循環穩定性和（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為凝膠電解質的柔性準固態ZIB的電化學性能。（a）柔性準固態ZIB的原理結構。（b）PVA/Zn(CF
3SO
3)
2凝膠電解質和2 M ZnSO4水溶液(1.0 A g
−1)中ZIB的GCD曲線比較。（c）準固態ZIB在不同電流密度下的GCD曲線。（d）準固態ZIB的循環性能和電導率CEs。（e）準固態ZIB與其他報道的儲能裝置的Ragone圖。（f）準固態ZIB在不同變形狀態下的容量保持率。（g-j）兩個準固態ZIB串聯的柔性演示。
相關研究成果由西北工業大學Cao Guan課題組和新加坡國立大學Zhenghui Pan課題組于2021年發表在《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。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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