西安电子科技大学研究生(西安电子科技大学研究生招生官网)

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成果简介

由于对安全和廉价电池的需求不断增加，水性锌离子电池（AZIB）受到广泛关注。然而，锌金属阳极在连续循环过程中遭受枝晶生长，阳极表面发生副反应，如析氢反应（HER）和钝化。此外，锌金属的低利用率也是一个被忽视的问题，导致电池水平的低能量密度。本文，电子科技大学吴孟强教授团队在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Binder-Free Freestanding 3D Zn-Graphene Anode Induced from Commercial Zinc Powders and Graphene Oxide for Zinc Ion Battery with High Utilization Rate”的论文，研究通过商业锌粉和氧化石墨烯（GO）的自发反应，设计了一种利用率高的非枝晶锌阳极。

形成的无粘结剂三维（3D）阳极Zn_G在对称电池中，在电流密度为1 mA cm-2的情况下，实现了550小时以上的循环时间和极低的电压滞后，即7.4%的DOD（1.3%DOD的锌箔为130小时，7.4%DOD的锌粉为80小时）。在Zn||MnO2全电池中，Zn_G极大地提高了电池的重量级能量密度，达到了1600次以上的循环，远远高于700次的Zn箔（Zn_F）和500次的Zn粉（Zn_P）。3的低N/P比率也实现了高稳定性，在1000次循环后达到126 mAh g-1和74.5%的保留率。图文导读

图1、Zn_G制造工艺示意图及材料形貌图

图2.Zn_rGO和Zn_G的XRD图谱（a）和（b），Zn_G（c）的FTIR光谱和Zn_G的TGA，热速率为10°C/min（d）。

图3. 2 M ZnSO4对Zn_F（a）、Zn_P（b）和Zn_G（c）的接触角，Zn_F、Zn_P和Zn_G的线性扫频伏安法（LSV）的Tafel曲线（d），对称电池中Zn_F、Zn_P和Zn_G在-150 mV电位下的计时器（CA）（e），以及Zn2+的2D和3D扩散过程示意图（f）。Zn_F、Zn_Pc和Zn_G在2M ZnSO4中2小时、1天和3天的数码照片（g）。

图4：不对称电池Zn_F||Ti、Zn_P||Ti和Zn_G||Ti不同电化学性能

图5.循环后的SEM图像Zn_F（a），循环前部分（b）后的Zn_G的SEM图像，以及10次循环（d）、50次循环（e）和500次循环（F）后的横截面（c）Zn_G TEM图像，循环期间Zn_G锌沉积过程的示意图（G）。

图6. Zn_F||MnO2、Zn_P||MnO2和Zn_G||MnO2在1 mV s-1的CV曲线（a）。电流密度为0.1 A g-1时的充电/放电曲线（b），速率容量（c）。Zn_F、Zn_P和Zn_G在0.5 A g-1的循环性能（d）。不同N/P比的Zn_G||MnO2在电流密度为0.5 A g-1时的充电和放电曲线（e）。在0.5 A g-1下，低N/P=3的Zn_G的循环性能（f），以及在不同N/P比下，以Zn_G和Zn_F为阳极的Zn/MnO2的计算能量密度（E=容量×电压/Zn和MnO2的总质量）（g）。

小结

综上所述，一种无粘结剂的独立式三维锌-石墨烯阳极Zn_G实现了大大增强的循环性能，该阳极由商用锌粉和氧化石墨烯制成，具有高利用率和低N/P值。这项工作为锌离子电池提供了从锌粉中提取化合物的阳极设计策略，以抑制锌枝晶的生长和副反应，实现长寿命。同时，这项工作还强调了高利用率和低N/P比率。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaem.2c02872

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