东华大学《Carbon》：受“一鱼两吃”启发，PANI/G/CC||G/Zn电池，增强水性锌离子电池的动力学和循环稳定性

成果简介

聚苯胺 (PANI) 和锌阳极的不良稳定性仍然是水性锌-聚苯胺电池的长期循环性和速率能力所面临的挑战。本文，东华大学秦宗益 研究员团队在《Carbon》期刊发表名为“A “two cooking with one fish” strategy for modulating both polyaniline cathode and zinc anode towards enhanced kinetics and cycling stability for aqueous zinc ion batteries”的论文，研究提出了一种 “一鱼两吃 ”的策略来调控聚苯胺阴极和锌阳极，其中阴极中的纳米级石墨烯片可促进聚苯胺阵列的有序生长，有利于提供大的电化学活性面积和高效的传输通路，缓解反复充放电过程中的体积变化。同时，作为保护层的石墨烯片的蜂窝状结构可以加速锌离子的传输动力学，抑制副反应和锌枝晶的生长。

因此，经过优化的 G/Zn 对称电池在 1 mA cm-2 的电流条件下可达到 1000 小时以上的超长寿命。此外，组装后的 PANI/G/CC||G/Zn 电池在 0.2 A g-1 电流条件下的比容量为 265.8 mAh g-1，具有出色的速率能力（在 20 A g-1 电流条件下为 145.5 mAh g-1），最大能量密度为 246.9 Wh kg-1，功率密度为 8675.9 W kg-1，特别是在 10000 次循环后的容量保持率为 91.1%。结合低成本、环保和操作安全等优点，我们的设计将有助于解决水性 Zn-PANI 电池的循环性和速率能力问题。

图文导读

图1.石墨烯在水溶液中的分散照片和单个纳米级石墨烯片的TEM图像;PANI/G/CC阴极和G/Zn阳极及其表面形态的结构图示。

图2.PANI/CC和PANI/G/CC阴极和G/Zn阳极的SEM和TEM图像，以及碳布（CC）、碳布覆盖的石墨烯片（G/CC）、PANI/CC和PANI/G/CC阴极以及Zn和G/Zn阳极的拉曼光谱。

图3。PANI/CC||Zn和PANI/G/CC||G/Zn电池在1 mV s–1下的CV曲线（a）；PANI/CC||Zn（b）和PANI/G/CC||G/Zn电池的CV模式的等高线图（c）；PANI/CC|||Zn和PANI/g/CC||g/Zn电池的log（i）与log（v）（d）的关系图、不同扫描速率下扩散控制和表面控制电容贡献的比率（e）、Randles-Sevcik关系曲线（f）、GITT曲线和相应的Zn2+扩散系数（g）以及EIS曲线（h）。

图4。2 M Zn（CF3SO3）2电解质中扫描速率为5 mV s-1的裸Zn和G/Zn阳极的Tafel曲线（a）；在不同电流密度下，裸Zn和G/Zn阳极上Zn2+沉积的恒电流电压分布（b）；在20mV的恒定电势下，裸Zn阳极的电流作为时间的函数，插图显示了极化前后的EIS光谱（c）；在2MZn（CF3SO3）2电解质中，裸Zn和G/Zn对称电池在不同速率下的电压分布（d）；在2M Zn（CF3SO3）2电解质中，基于裸Zn和G/Zn阳极的对称电池在不同速率下的Zn电镀/剥离的过电势从1到20 C（1 C=0.5 mA cm-2）不等（e）；基于裸Zn和G/Zn阳极的对称电池在2 M Zn（CF3SO3）2电解质中的长期循环稳定性（f）。

图5. 在电流密度为 1 mA cm-2 时，裸锌阳极和 G/Zn 阳极在不同锌沉积时间的扫描电镜图像，插图为两个阳极的照片（a）；G/Zn 阳极和裸锌阳极在剥离/电镀循环 100 小时前后的 XRD 图（b）；裸锌阳极和 G/Zn 阳极在 Zn2+ 电镀/剥离过程中锌沉积示意图（c）。

图6. 由 PANI/G/CC 阴极和 G/Zn 阳极组装的锌水溶液电池的电化学性能：0.2 和 20 A g-1 下的放电曲线 (a)，G/Zn| |PANI/G/CC 电池的速率性能 (b)，PANI/G/CC||G/Zn 电池与之前报道的类似装置的速率性能比较

图7. PANI/G/CC||G/Zn 电池和最近报道的其他类似器件

小结

同时开发具有成本效益的高功率阴极和稳定阳极是实现锌离子电池快速充电的关键因素。本研究提出了一种简便的 “一鱼两吃 ”策略，即以覆盖在碳布石墨烯层上的 PANI 阵列为阴极，以石墨烯改性锌板为阳极，从而提高 AZIB 的动力学和循环稳定性。纳米级石墨烯在稳定聚苯胺阴极和锌阳极方面发挥了多重作用。一方面，作为阴极内的生长基底和缓冲夹层，石墨烯的存在能显著促进细而密的 PANI 纳米纤维阵列的排列生长，提供高效的传输途径，减轻聚合物链在反复充放电过程中的应变损伤，甚至提供额外的电荷存储，扩大电化学活性面积，缩短离子扩散途径，增强阴极的结构稳定性。

另一方面，阳极内的蜂窝状石墨烯保护层可提供高效的电荷传输通道、大量的成核点，并允许均匀的电场引导锌的分布/吸附，从而降低过电位、加速传输动力学、减轻锌腐蚀和枝晶生长。得益于阴极和阳极的独特结构和稳定性，PANI/G/CC||G/Zn 电池表现出令人瞩目的电池性能，在电流密度为0.2Ag-1 时，电池容量为265.8mAh g-1，在电流密度为20Ag-1 时，电池容量为 145.5mAh g-1，最大能量密度为 246. 在功率密度为 187.6 W kg-1 时，最大能量密度为 246.9Wh kg-1；在能量密度为 159.1 Wh kg-1 时，最大功率密度为 8675.9W kg-1；在 8.0Ag-1下循环10000次后，容量保持率为91.1 %，库仑效率为99.7%，循环稳定性极佳。因此，对电极结构设计和构造的探索为设计高倍率和长循环锌离子电池提供了一条前景广阔的途径。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119219