赵天寿/曾林Nature子刊：三维分层石墨烯基质助力稳定的锌负极

水系锌离子电池的金属锌负极存在严重的枝晶和副反应问题，这会导致循环稳定性差，尤其是在高倍率和高容量情况下。

图1 材料制备及表征

南方科技大学曾林、赵天寿院士等提出了一种利用自支撑、轻质、亲锌的三维分层石墨烯基质（包括掺杂 N 的石墨烯纳米纤维簇、垂直石墨烯阵列和多通道碳基质）来构建具有优异倍率和容量的高性能、稳定锌复合负极的新方法。

具体而言，通过一步热 CVD 工艺合成的 3D-RFGC 矩阵具有高表面积、多孔性和均匀的多孔结构，可有效降低局部电流密度，减少Zn²⁺离子浓度梯度，并确保均匀的电场分布以调节Zn沉积。

因此，具有丰富亲锌位点的垂直石墨烯阵列（VGs）和石墨烯纳米纤维簇（GFs）的表面修饰促进了具有高电流密度和表面积容量的高性能锌金属负极的实现。

图2 不同电极在半电池中的电化学性能

电化学测试显示，工程化的3D-RFGC@Zn负极在120 mA cm^-2的高电流密度下，经过3000次循环后，CE值达到99.67%，过电位更低，令人印象深刻。

采用3D-RFGC@Zn负极的对称电池在7200次循环过程中表现出卓越的稳定性，具有平坦沉积和快速动力学的特点。尤其值得注意的是，3D-RFGC@Zn负极在电流密度为80 mA cm^-2时表现出色，可在2400小时内以80 mAh cm^-2的超高容量稳定运行。

此外，当将这些三维石墨烯基质加入V₂O₅@3D-LC/3D-RFGC@Zn、MnO₂@3D-LC/3D-RFGC@Zn和AC@3D-LC/3D-RFGC@Zn电容器等全电池中时，由于它们能够促进锌的均匀沉积，因此有助于实现优异的倍率性能和显著改善的循环稳定性。这种采用三维石墨烯基质作为锌负极的策略为开发能够在高倍率、高容量和高放电深度条件下工作的金属负极提供了一条前景广阔的途径。

图3 用于全电池和电容器的3D-RFGC@Zn负极的电化学性能

3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39947-8

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