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成果简介
锌（Zn）金属阳极具有还原电位低、容量大等优点，是一种很有前途的水性阳极；然而，循环过程中不稳定的界面严重抑制了水性锌离子电池（ZIBs）的发展。本文，北京理工大学材料学院谢嫚副教授团队在《ACS Appl. Energy Mater.》期刊发表名为“Artificial N-doped Graphene Protective Layer Enables Stable Zn Anode for Aqueous Zn-ion Batteries”的论文，研究用简单的涂层工艺在锌箔上构建了氮掺杂石墨烯（NGO）的保护层。原位光学显微镜和质谱分析进一步证明，这石墨烯保护层减轻了氢的释放以及锌的水解。同时，丰富的 N 掺杂官能团调节 Zn 金属的沉积形态并抑制多孔枝晶的生长。
基于此，NGO@Zn || NGO@Zn对称电池在 500 小时内表现出稳定的循环性能，且过电位较低（19 mV）。同时，全电池的LiMn 2 O 4 (LMO)|| NGO@Zn电池在 1C 倍率下循环 600 次后可提供 89.1 mAh g –1 的容量，在 5C 倍率下具有高比容量。此外，改性活生物体|| NGO@Zn软包电池 (1.32 mAh cm –2 ) 的容量高达 124.7 mAh g–1在 0.5C下，在无压力测试条件下经过 90 次循环后仍保持 72.9 mAh g –1的容量。这项工作提供了一种可行的合成方法和有希望的性能，以加速水性 ZIBs 的工业应用
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图文导读
图 1. (a) NGO 在 Zn 箔上的涂层程序示意图；
(b) NGO@Zn的俯视 SEM 图像（插图是NGO@Zn的光学图片）；
(c) NGO@Zn材料的侧视 SEM 图像；
(d) NGO（蓝线）、Zn（黑线）和NGO@Zn （红线）样品的XRD图谱；
(e) NGO@Zn样品的FT-IR 光谱；
(f, g) NGO@Zn样品关于 N 1s 和 O 1s 的XPS 光谱。蓝线、红线、橙线为拟合线，虚线为原始数据。
图 2. (a) Zn 和NGO@Zn电极在 1 mA cm –2电流密度和 1 mAh cm –2容量下的循环性能；
(b)对称电池中锌和NGO@Zn电极在 20 次循环后的SEM 图像；
(c) NGO@Zn阳极与其他报道的阳极在不同电流密度和容量下的循环寿命比较；
(d)不同电流密度和 1 mAh cm –2容量下裸 Zn 和NGO@Zn电极材料的倍率性能；
(e) RGO@Zn和NGO@Zn电极在不同电流密度和 1 mAh cm –2容量下的倍率性能;
(f) RGO@Zn和NGO@Zn电极在不同电流密度下的详细过电位。
图 3. (a–c) 锌和 (d–f) NGO@Zn在 2 mA cm –2的电流密度下沉积 30、60 和 90 分钟的侧视图原位光学显微镜图像。(g) 锌和 (h) NGO@Zn的俯视光学显微镜图像。(i) 20 次循环后裸 Zn 和NGO@Zn电极的XRD 图案。(j) LMO||锌和(k) LMO||的充放电电压曲线和原位质谱 NGO@Zn在第一个周期。
图 4. (a) LMO||锌和 LMO|| 的 CV 曲线 前两个周期的NGO@Zn 。
(b) NGO@Zn在 1C下LMO||锌和LMO||的长循环性能。
(c)以 LMO 作为阴极， LMO||裸锌和LMO||的倍率性能 NGO@Zn。
(d) (e)锌或 NGO@Zn作为阳极的 ZIBs 的容量在不同的速率和 1.4 到 2.05 V 的电压范围内。
(f) Nyquist 在 20 个循环之前和之后绘制LMO||锌和 (g) LMO|| NGO@Zn。
(h) 锌（在 LMO||锌全电池中）和NGO@Zn （在 LMO|| NGO@Zn全电池中）在 1C 下循环 100 次后的SEM 图像。
图 5. (a) 软包电池的阳极和阴极材料
(b) (c) 组装的软包电池和 点亮 LED 的软包电池的光学图片。
(d) 软包电池容量曲线随循环次数变化。以 LMO 为阴极，
(e) 锌或 (f) NGO@Zn作为阳极的软包电池在 0.5C 和电压范围为 1.4 至 2.05 V 时的容量。
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小结
综上所述，通过刮刀涂层的方法研究了 NGO 在锌阳极表面作为人工保护涂层的作用。因此，提供了一种抑制锌枝晶生长和副反应的简便方法，这可能有助于高安全性和可充电水性锌离子电池的实际应用。
文献：https://doi.org/10.1021/acsaem.1c01306
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