Nano Res.[能源]│郭晓辉教授课题组:rGO包覆Ag掺杂Cu空心纳米方块用于超稳定水系锌离子电池负极

背景介绍

水系二次电池由于其成本低、运行安全性高、可用于大规模储电，是一种很有前景的电化学储能电池。除此之外，相较于有机电解质，水系电解质具有更高的离子电导率，这使得电池具有更好的倍率性能。这些优异的特点使得水系电池在能源存储方面在最近几年受到广泛关注。其中，由于锌离子电池具有较高的理论容量（mAh·g⁻¹）、低电化学电位（−0.76 V vs.标准氢电极）和较高的自然丰度，水系锌离子电池（AZIBs）在所有可充电电池中迅速发展。然而水系锌离子电池的实际应用受到了锌枝晶的限制，而锌枝晶的生长增大了电极与电解质的接触表面积，这进一步促进了电极的腐蚀和析氢副反应的发生，导致库伦效率低下，循环稳定性差，甚至由于枝晶刺透隔膜造成电池短路。目前对于水系锌离子电池的上述问题，研究者从三个方面提出了解决方案。分别是基体材料设计，人工固体导电界面（SEI）膜设计和电解质添加剂的引入。

研究方法

在本文的研究中，作者设计了一种巧妙的局部平整宏观立体三维主体材料作为锌电镀剥离的基底。以柔性三维碳布为前驱体和导电框架，在其表面涂覆 Ag-Cu-rGO 和 Ketjen 黑混合浆料。得益于空心Cu纳米方块及其表面均匀分散的亲锌银，材料具有更高的析氢过电位以及更多的锌成核位点，最终抑制了析氢副反应并降低了电极表面局部电流密度。此外，rGO 的高导电性和大比表面积使电极表面的离子通量和电场均匀化，更有益于锌的均匀沉积。

成果简介

基于材料的设计及结构优势，所制备的 Zn//Ag-Cu-rGO 不对称电池在稳定电镀和剥离 250 次仍然表现出稳定的电压曲线，在 2 mA·cm⁻² 和 1 mAh·cm⁻² 条件下保持近 100％ 的库仑效率，并表现出 34 mV 的极小成核过电位；Ag-Cu-rGO@Zn 对称电池在 1 mA·cm⁻² 和 1 mAh·cm⁻²条件下分别表现出高度均匀的电场和超过 2500 小时的超长寿命。同时，这种高效的 Ag-Cu-rGO@Zn负极还实现了非常稳定的 Ag-Cu-rGO@Zn//V₂O₃ 全电池稳定循环 2000 圈容量保持率达79.35%。

通讯作者简介

郭晓辉教授，理学博士，教授, 博士生导师。1999年毕业于合肥工业大学高分子材料专业，1999年7月-2002年5月中国航天科工集团物理化学电源研究所从事固体电池的设计工作，助理工程师；2007年中国科技大学获得博士学位,师从俞书宏院士；2007年9月-2009年9月复旦大学先进材料实验室博士后，师从赵东元院士；2009年9月人才引进到西北大学化学与材料学院工作。2011年在首尔国立大学从事磁性纳米材料的博士后研究；目前主要从事多孔纳米结构材料的制备及其电化学储能/催化方面的研究。在Angew Chem, Adv. Mater, Small, Adv. Sci, J. Mater. Chem. A, Chem.Eng. J, Chem. Commun等国际知名学术刊物发表SCI论文60多篇，被引次数达2000多次；获得过2010年国家自然科学二等奖，2011年陕西省青年科技新星，2013年教育部新世纪优秀人才，2016年陕西省青年科技人才奖，2022年陕西省高等学校优秀成果一等奖等称号。

文章信息

Feng L, Zhang J, Wang D, et al. Ag-doped Cu nanoboxes supported by rGO for ultra-stable Zn anodes in aqueous Zn-ion battery. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6912-y.